船舶核動力裝置

MarineNuclearPowerPlant核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（V2011.02.27）MNPP-L01船舶核動力裝置

MarineNuclearPowerP15八月2023《核動力裝置》2［教師信息］主講教師：王賀1998年至2010年，哈爾濱工程大學(xué)本、碩、博2007年至2008年，日本東京大學(xué)訪問學(xué)者研究方向：概率安全分析方法、核電在線風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測方法承擔(dān)：海軍項(xiàng)目、863項(xiàng)目等工作單位：核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核動力仿真研究中心辦公室地址：31#樓4層442室Tel：82588302mail：wanghe@網(wǎng)站：/04八月2023《核動力裝置》2［教師信息］主講教師15八月2023《核動力裝置》3［教學(xué)要求］教學(xué)方式：課堂講授＋課堂討論考核方式：閉卷考試上課避免遲到，課間經(jīng)允許后可離開誰最后走，誰關(guān)燈手機(jī)響、接手機(jī)、用手機(jī)看小說，發(fā)現(xiàn)一次擦黑板一周04八月2023《核動力裝置》3［教學(xué)要求］教學(xué)方式15八月2023《核動力裝置》4［學(xué)習(xí)要點(diǎn)］1系統(tǒng)的功用或作用為什么設(shè)置該系統(tǒng)？該系統(tǒng)在核動力裝置中承擔(dān)什么任務(wù)？2系統(tǒng)的基本組成系統(tǒng)中包括哪些主要設(shè)備？各設(shè)備如何組成一個(gè)完整系統(tǒng)？3系統(tǒng)的運(yùn)行原理系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)其功能的？系統(tǒng)基本運(yùn)行與控制原理04八月2023《核動力裝置》4［學(xué)習(xí)要點(diǎn)］1系15八月2023《核動力裝置》51核動力裝置概述1.1核動力裝置含義及其特點(diǎn)1.2核動力裝置的組成及原理04八月2023《核動力裝置》51核動力裝置概述1.15八月2023《核動力裝置》61.1核動力裝置含義及其特點(diǎn)1.1.1船舶動力裝置類型 1.1.2船用核動力裝置含義1.1.3核能的特點(diǎn)1.1.4核能用作船舶動力的優(yōu)越性04八月2023《核動力裝置》61.1核動力裝置含義15八月2023《核動力裝置》71.1.1船舶動力裝置類型新能源動力裝置聯(lián)合動力裝置核動力裝置蒸汽輪機(jī)動力裝置燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置內(nèi)燃機(jī)動力裝置船舶動力裝置［船舶動力裝置］

為船舶提供推進(jìn)動力和其他所需能源的機(jī)械、設(shè)備和系統(tǒng)的總稱，包括主動力裝置和輔助動力裝置兩部分。按燃料類型劃分為兩大類：常規(guī)動力裝置核動力裝置04八月2023《核動力裝置》71.1.1船舶動力裝15八月2023《核動力裝置》8燃料為煤或油，由鍋爐提供蒸汽蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能汽輪機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，或通過減速器驅(qū)動螺旋槳［1］蒸汽動力裝置的工作原理1900年，英國海軍“蝮蛇”號魚雷驅(qū)逐艦在世界上首次使用蒸汽輪機(jī)推進(jìn)船舶04八月2023《核動力裝置》8燃料為煤或油，由鍋爐提供15八月2023《核動力裝置》9蒸汽輪機(jī)▲凝汽式汽輪機(jī)04八月2023《核動力裝置》9蒸汽輪機(jī)▲凝汽式汽輪機(jī)15八月2023《核動力裝置》10汽輪機(jī)單機(jī)功率大機(jī)組振動、噪聲較小磨損部件少、可靠性高汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，便于運(yùn)行、管理和維修可使用劣質(zhì)燃油蒸汽動力裝置的特點(diǎn)系統(tǒng)復(fù)雜，重量尺寸大，附屬設(shè)備多初建費(fèi)用高，熱效率低機(jī)動性差04八月2023《核動力裝置》10汽輪機(jī)單機(jī)功率大蒸汽動15八月2023《核動力裝置》11［2］柴油機(jī)的工作原理進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮空氣被活塞壓縮到能使柴油自行燃燒的溫度時(shí)，用高壓油泵及油槍將燃油引入燃燒室并噴射成霧狀與壓縮空氣混合，同時(shí)自行點(diǎn)火。燃燒后產(chǎn)生的高溫、高壓燃?xì)庠跉飧變?nèi)膨脹作功，推動活塞運(yùn)動，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)將機(jī)械功從曲軸輸出，帶動螺旋槳工作。1895年，德國人狄賽爾發(fā)明了柴油機(jī)，于20世紀(jì)初逐步用于艦艇，迄今已經(jīng)成為船舶上用得較為普遍的一種動力裝置。04八月2023《核動力裝置》11［2］柴油機(jī)的工作原理15八月2023《核動力裝置》12柴油機(jī)裝置的特點(diǎn)▲船用大功率低速柴油機(jī)熱效率高輔助設(shè)備和機(jī)械較少具有良好的機(jī)動性易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操縱和自動控制柴油機(jī)重量和尺寸按功率比例增加很快，因而單機(jī)功率受到限制柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)振動、噪聲較大中、高速柴油機(jī)的運(yùn)動部件磨損比較嚴(yán)重，整機(jī)壽命短柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)穩(wěn)定性差04八月2023《核動力裝置》12柴油機(jī)裝置的特點(diǎn)▲船15八月2023《核動力裝置》13［3］燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理將燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)送出的壓縮空氣在燃燒室中與燃油混合燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓燃?xì)鉀_擊動力渦輪作功，動力渦輪通過減速齒輪箱等傳動設(shè)備驅(qū)動螺旋槳。艦用燃?xì)廨啓C(jī)是在航空燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用以后發(fā)展起來的新型動力裝置。20世紀(jì)40年代，國外開始研究艦用燃?xì)廨啓C(jī)，1947年，英國海軍在炮艇上首次裝用燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置。04八月2023《核動力裝置》13［3］燃?xì)廨啓C(jī)的工作原15八月2023《核動力裝置》14艦用燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用112艦使用的燃機(jī)→↓艦用燃?xì)廨啓C(jī)04八月2023《核動力裝置》14艦用燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用1115八月2023《核動力裝置》15艦用燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置具有功率大、重量尺寸小、機(jī)動性好等優(yōu)點(diǎn)機(jī)組結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，進(jìn)、排氣口附近噪聲大，必須采取消聲措施由于燃?xì)獾母邷?，葉片使用的合金材料價(jià)格昂貴，工作可靠性差，壽命短耗油率高進(jìn)、排氣管道尺寸較大，給機(jī)艙布置帶來困難20世紀(jì)70年代以后，艦用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)入迅速發(fā)展時(shí)期，裝艦使用范圍已由快艇發(fā)展到護(hù)衛(wèi)艦、導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、巡洋艦、直升機(jī)母艦、輕型航空母艦等大、中型水面艦艇，全世界已有30多個(gè)國家海軍使用燃?xì)廨啓C(jī)，其中俄羅斯的艦用燃?xì)廨啓C(jī)的總裝機(jī)功率居世界前列。04八月2023《核動力裝置》15艦用燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)燃?xì)?5八月2023《核動力裝置》161.1.2船用核動力裝置含義船舶核動力裝置以原子核裂變能作為推進(jìn)動力，包括核反應(yīng)堆、為產(chǎn)生功率推動船舶前進(jìn)所必需的有關(guān)設(shè)備以及為提供裝置正常運(yùn)行、保證對人員健康和安全不會造成特別危害所需的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件。將核燃料裂變產(chǎn)生的能量傳輸、分配并轉(zhuǎn)換成推進(jìn)船舶的動力核能熱能熱能機(jī)械能電能推進(jìn)系統(tǒng)動力設(shè)備一回路二回路04八月2023《核動力裝置》161.1.2船用核動15八月2023《核動力裝置》17潛艇核動力裝置示意圖04八月2023《核動力裝置》17潛艇核動力裝置示意圖15八月2023《核動力裝置》18船用核動力裝置發(fā)展歷程▲世界上第一艘核潛艇“鸚鵡螺”號1954年1月，世界上第一艘核潛艇，也是美國海軍

第一艘核動力艦艇“鸚鵡螺”號下水美國、蘇聯(lián)/俄羅斯、英國、法國、中國已經(jīng)建造了500多艘核潛艇，至2002年，世界上仍然在役的核潛艇有150多艘印度核潛艇海曼·喬治·里科弗04八月2023《核動力裝置》18船用核動力裝置發(fā)展歷程15八月2023《核動力裝置》19裝備核動力艦船的國家國家美國俄羅斯/前蘇聯(lián)核潛艇英國法國中國巡洋艦航空母艦核潛艇核潛艇航空母艦核潛艇巡洋艦破冰船核潛艇航空母艦？04八月2023《核動力裝置》19裝備核動力艦船的國家國15八月2023《核動力裝置》20船舶核動力裝置的應(yīng)用04八月2023《核動力裝置》20船舶核動力裝置的應(yīng)用15八月2023《核動力裝置》211.1.3核能的特點(diǎn)核燃料具有極高的能量密度核裂變可以在任何功率水平下達(dá)到臨界（功率大）核裂變反應(yīng)不需要氧氣核裂變過程伴隨著大量放射性物質(zhì)的產(chǎn)生04八月2023《核動力裝置》211.1.3核能的特15八月2023《核動力裝置》221kg鈾-235完全裂變 19,600,000,000kcal1kg標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒 7,000kcal1L重油完全燃燒 9,900kcal1m3天然氣完全燃燒 9,800kcal1kg鈾-235完全裂變放出的熱量相當(dāng)于2700噸標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒放出的熱量同一質(zhì)量下，核能比化學(xué)能大數(shù)百萬倍（1）核燃料具有極高的能量密度04八月2023《核動力裝置》221kg鈾-235完全裂15八月2023《核動力裝置》23核動力艦船不需要攜帶大量的燃料，在反應(yīng)堆壽期內(nèi)不需要外界補(bǔ)充燃料核動力艦船可攜帶更多的武器裝備和其他物資，提高戰(zhàn)斗力和自持力可大大減少輔助艦船的數(shù)量，提高整個(gè)艦隊(duì)的航速和續(xù)航力（1）燃料重量占全船載重量的比例較小“武漢”號，排水量7500噸，最高航速32節(jié)，20節(jié)時(shí)續(xù)航距離6000多公里。

“微山湖”補(bǔ)給艦，排水量接近3萬噸04八月2023《核動力裝置》23核動力艦船不需要攜帶大15八月2023《核動力裝置》24（2）核燃料可以在任意功率水平下達(dá)到臨界04八月2023《核動力裝置》24（2）核燃料可以在任意15八月2023《核動力裝置》25

概念1：續(xù)航力是艦艇裝載一次燃料所能持續(xù)航行的距離概念2：艦船推進(jìn)功率與航速的立方成正比核潛艇：長壽命堆芯可用10年以上，續(xù)航力超過40萬海里，潛航距離占總航程的95%以上核動力裝置的高功率可使核潛艇的水下航速、核動力航空母艦的航速達(dá)到30節(jié)（美國“海狼”級核潛艇的最高航速35節(jié)）常規(guī)潛艇：航速10節(jié)時(shí)，續(xù)航力達(dá)到1萬海里，只能連續(xù)航行6~10小時(shí)；水下最大航速為15~25節(jié)（2）提供較大的續(xù)航力和功率04八月2023《核動力裝置》25概念1：續(xù)航力15八月2023《核動力裝置》26

概念1：續(xù)航力是艦艇裝載一次燃料所能持續(xù)航行的距離概念2：艦船推進(jìn)功率與航速的立方成正比核潛艇：長壽命堆芯可用10年以上，續(xù)航力超過40萬海里，潛航距離占總航程的95%以上核動力裝置的高功率可使核潛艇的水下航速、核動力航空母艦的航速達(dá)到30節(jié)（美國“海狼”級核潛艇的最高航速35節(jié)）（2）提供較大的續(xù)航力和功率▲世界上第一艘核動力航空母艦，1964年進(jìn)行了史無前例的環(huán)球航行,途中無需加油和再補(bǔ)給,歷時(shí)64天,總航程3萬多海里。

04八月2023《核動力裝置》26概念1：續(xù)航力15八月2023《核動力裝置》27（3）核裂變反應(yīng)不需要氧氣04八月2023《核動力裝置》27（3）核裂變反應(yīng)不需要15八月2023《核動力裝置》28核潛艇無需定期浮出水面用柴油發(fā)電機(jī)給蓄電池充電，可長期潛航水面艦船不需要設(shè)置進(jìn)氣道和煙囪，減少上層建筑，免受煙氣的腐蝕和熱氣流的影響，降低了紅外特征

——大型水面艦船如航空母艦不需要布置煙囪，上層建筑布置更為靈活（3）提高艦船的隱蔽性04八月2023《核動力裝置》28核潛艇無需定期浮出水面15八月2023《核動力裝置》29（4）核裂變過程伴隨著放射性物質(zhì)的產(chǎn)生核裂變反應(yīng)會產(chǎn)生大量的放射性物質(zhì)；核動力裝置具有潛在的危險(xiǎn)性；安注系統(tǒng)危機(jī)冷卻系統(tǒng)全壽期都不用一次需要采取嚴(yán)格的輻射防護(hù)措施；運(yùn)行管理要求很高。04八月2023《核動力裝置》29（4）核裂變過程伴隨著15八月2023《核動力裝置》301.1.4核能用作船舶動力的優(yōu)越性燃料重量占全船載重量的比例較小;提供較大的續(xù)航力和推進(jìn)功率;提高潛艇的隱蔽性。

04八月2023《核動力裝置》301.1.4核能用作15八月2023《核動力裝置》311.2核動力裝置的組成及原理1.2.1船用核動力裝置的基本組成 1.2.2船用動力堆選型04八月2023《核動力裝置》311.2核動力裝置的15八月2023《核動力裝置》32船舶核動力裝置反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)二回路系統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)齒輪減速推進(jìn)電力推進(jìn)壓水堆1.2.1船用核動力裝置的基本組成液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆04八月2023《核動力裝置》32船舶核動力裝置反應(yīng)堆一15八月2023《核動力裝置》33壓水堆核動力裝置原理流程04八月2023《核動力裝置》33壓水堆核動力裝置原理流15八月2023《核動力裝置》34一回路系統(tǒng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)專設(shè)安全系統(tǒng)一回路輔助系統(tǒng)廢物處理系統(tǒng)一回路系統(tǒng)的基本組成04八月2023《核動力裝置》34一回路系統(tǒng)反應(yīng)堆冷卻劑15八月2023《核動力裝置》35二回路系統(tǒng)汽輪機(jī)回路蒸汽系統(tǒng)循環(huán)水系統(tǒng)潤滑油系統(tǒng)造水系統(tǒng)二回路系統(tǒng)的基本組成04八月2023《核動力裝置》35二回路系統(tǒng)汽輪機(jī)回路蒸15八月2023《核動力裝置》36二回路主機(jī)配置方案04八月2023《核動力裝置》36二回路主機(jī)配置方案15八月2023《核動力裝置》37船舶推進(jìn)方式04八月2023《核動力裝置》37船舶推進(jìn)方式15八月2023《核動力裝置》381.2.2船用動力堆選型動力堆類型水冷堆氣冷堆壓水堆有機(jī)液冷卻堆沸水堆重水堆液態(tài)金屬冷卻堆金屬鈉鈉-鉀合金鉛-鉍合金熱中子堆快中子堆04八月2023《核動力裝置》381.2.2船用動力15八月2023《核動力裝置》39核反應(yīng)堆的類型按引起裂變的中子能量劃分：快中子堆、熱中子堆按慢化劑的類型劃分：輕水堆、重水堆、石墨堆按冷卻劑的類型劃分：水冷堆——壓水堆、沸水堆、重水堆氣冷堆——高溫氣冷堆液態(tài)金屬冷卻堆——鈉冷快中子堆有機(jī)液冷堆04八月2023《核動力裝置》39核反應(yīng)堆的類型按引起裂15八月2023《核動力裝置》40（1）壓水堆的特點(diǎn)慢化劑采用輕水，冷卻劑采用輕水，冷卻劑在堆芯不沸騰采用U-235富集度為3％~4%的UO2陶瓷燃料，在艦船壓水堆上由于要提高堆芯壽命，燃料的富集度一般都很高一、二回路之間相互隔離，二回路不需要屏蔽結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、功率密度高、平均燃耗較深，技術(shù)比較成熟采用多道屏障防止放射性物質(zhì)外泄反應(yīng)堆具有自穩(wěn)自調(diào)特性，安全性較好04八月2023《核動力裝置》40（1）壓水堆的特點(diǎn)慢化15八月2023《核動力裝置》41（2）沸水堆的特點(diǎn)沸水堆以沸騰輕水為慢化劑和冷卻劑，在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)直接產(chǎn)生飽和蒸汽；沸水堆與壓水堆同屬輕水堆，都具有結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠、建造費(fèi)用低和負(fù)荷跟隨能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使用低富集鈾作燃料；不需要蒸汽發(fā)生器，運(yùn)行參數(shù)較壓水堆低；具有很強(qiáng)的自然循環(huán)能力，一般可達(dá)40~50%FP，甚至100%FP。04八月2023《核動力裝置》41（2）沸水堆的特點(diǎn)沸水15八月2023《核動力裝置》42沸水堆的不足壓力容器底部開有大量孔洞，對壓力容器的強(qiáng)度有不利影響；堆內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)由于水汽對中子慢化能力減弱，所需要裝載的燃料更多，相同功率下體積要大于壓水堆；放射性物質(zhì)會隨著蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)等設(shè)備，需要屏蔽的體積和質(zhì)量大大增加，增加了維護(hù)難度。04八月2023《核動力裝置》42沸水堆的不足壓力容器底15八月2023《核動力裝置》43（3）重水堆的特點(diǎn)采用重水作慢化劑，可以直接利用天然鈾作為核燃料；可用輕水或重水作冷卻劑；分壓力容器式和壓力管式兩類；是發(fā)展較早的堆型，有各種類別，但已實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模推廣的只有加拿大發(fā)展起來的坎杜型壓力管式重水堆。04八月2023《核動力裝置》43（3）重水堆的特點(diǎn)采用15八月2023《核動力裝置》44重水堆的不足堆芯體積比相同功率的壓水堆大10倍左右，不適合艦船裝備由于增加了慢化劑系統(tǒng)和重水系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性大大增加，重水堆的系統(tǒng)數(shù)目是壓水堆的2倍左右重水系統(tǒng)的脹接接頭容易發(fā)生泄漏，影響正常運(yùn)行。為此，一回路的冷卻劑壓力比壓水堆低30％左右，造成二回路的蒸汽運(yùn)行壓力較低04八月2023《核動力裝置》44重水堆的不足堆芯體積比15八月2023《核動力裝置》45（4）高溫氣冷堆的特點(diǎn)采用石墨作慢化劑，氣體作冷卻劑；高溫氣冷堆具有效率高、安全性好等突出優(yōu)點(diǎn)，由于采用了密度和比熱很小的氣體作為工質(zhì)，所以功率密度較小，堆芯體積較大；這種堆型對管路材料的耐高溫性和密封性都提出了很高的要求，目前對氣體工質(zhì)的熱工性質(zhì)也需要進(jìn)一步研究。

氣冷堆一直沒有裝備艦艇的經(jīng)歷，在短時(shí)期內(nèi)也沒有這個(gè)可能。04八月2023《核動力裝置》45（4）高溫氣冷堆的特點(diǎn)15八月2023《核動力裝置》46高溫氣冷堆核動力裝置系統(tǒng)簡圖04八月2023《核動力裝置》46高溫氣冷堆核動力裝置系15八月2023《核動力裝置》47氣冷堆的研究和應(yīng)用情況在發(fā)展?jié)撏Ш藙恿ρb置的初期，曾設(shè)想采用氣冷堆，最終因其裝置體積龐大而未被采用。后來又設(shè)想采用高溫氦氣冷卻反應(yīng)堆的氦氣直接驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)，因在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下制造不出這種渦輪機(jī)而放棄，因而仍采用了壓水堆。高溫氣冷堆雖然效率高、安全性好，但功率密度較小，堆芯體積較大，對結(jié)構(gòu)材料的耐高溫性、密封性都有很高要求，氣體工質(zhì)的性質(zhì)也需進(jìn)一步研究。04八月2023《核動力裝置》47氣冷堆的研究和應(yīng)用情況15八月2023《核動力裝置》48（5）液態(tài)金屬冷卻堆的特點(diǎn)采用具有很高傳熱率的液態(tài)鉀-鈉合金或者鉛-鉍合金作為冷卻劑，二回路采用水作循環(huán)工質(zhì)，可以獲得很高的出口溫度和效率；例如，美國的S2G型液態(tài)金屬冷卻堆的效率達(dá)到22％，而同期的壓水堆只有17％左右。目前研究的快中子增殖堆均采用液態(tài)金屬作冷卻劑，而沒有慢化劑；用液態(tài)金屬作冷卻劑可大大提高一回路的溫度，而系統(tǒng)壓力只有0.5~0.7MPa，既提高了裝置的經(jīng)濟(jì)性，由于一回路壓力降低，核動力裝置也更加安全可靠。04八月2023《核動力裝置》48（5）液態(tài)金屬冷卻堆的15八月202