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核动力装置_图文

船舶核动力装置
一、 背景:
1955 年 4 月,世界上第一艘核动力船舶——美国核潜艇“舡鱼“号正式编队下水服役。 为了建造者艘核潜艇的动力装置, 美国提前 5 年在艾德华州兴建了陆上模式堆, 这就是世界 上第一个核动力装置。 从那时起到现在的近 50 年时间里, 世界上先后有近十个国家的约 470 多艘采用核动力推进的潜艇、水面舰艇、客货商船、矿砂船、破冰船等相继游弋在宽阔的海 洋上了。事实充分说明,船舶在使用核动力装置以后,船舶推进能源就又进入了一个崭新的 阶段。可以肯定,随着核能事业的发展,大规模建造核动力舰船,将会成为有关各国造船业 今后十分关注的发展方向。 过去的两个多世纪,由于人类掌握了利用煤、石油等化石燃料产生动力的技术,使人们摆脱 了单纯依靠人力、畜力进行劳动的困境,推动了社会生产突飞猛进的发展。与有限的化学能 源相比较,核能将会成为人类的一个全新的、蕴藏量更为丰富的动力资源,它必将有力地推 动社会生产力的发展。

二、 基本介绍:
核动力装置以原子核裂变能作为产生推进动力的能源。 它包括核反应堆、 为产生功率推 动船舶前进所必需的有关设备以及为提供装置正常运行, 保证对人员健康和安全不会造成特 别危害的那些结构、系统和部件。 船舶核动力装置是以反应堆代替普通燃料来产生蒸汽的汽轮机装置。 它可以作为船舶的 一种主动力装置。核动力装置功率大,一次装填核燃料可以用上好几年。装备核动力装置的 舰船,几乎有无限的续航力。所以核动力装置主要用于大型军舰和潜艇。

三、 基本原理:
核燃料在核动力装置的反应堆中产生裂变反应, 释放巨大能量, 被不断循环的冷却水吸

收, 后者又通过蒸汽发生器将热量传给第二个回路中的水, 使之变为蒸汽后到汽轮机中作功。 基于中子引起这种反应后又产生更多的新中子, 在一定的条件下, 新中子又可能去轰击另一 个可裂变的原子核, 使之又分裂为两个次级裂变产物的部分, 又再放出大量的能量和两到三 个新中子; 同样条件下, 新中子又可能去轰击另外的又一个可裂变的原子核而连续不断地把 这种裂变反应持续下去,连续不断地释放出能量。那么,这种以裂变物质本身持续不断的裂 变反应(通常称为链式反应)为基础,并可以人为地控制其反应速率的专用装置,就称为反 应堆。核动力装置是以原子核的裂变反应所产生的巨大热能,通过工质(蒸汽或燃气)推动 汽轮机或燃气轮机工作的一种装置。目前,舰船上几乎全部采用压力水型的反应堆(简称压 水堆) ,即以压力水作冷却剂(也称载热剂) ,蒸汽作为工质的核动力装置。

四、 发展历史:
1) 蒸汽机:
1807 年,美国工程师 R.富尔顿首次在“克莱蒙脱”号明轮船上用蒸汽机作为推进动力获得成 功。当时采用的是一台 20 马力的单缸摇臂式往复蒸汽机,获得每小时 5 英里的航速。经过不 断改进,到 19 世纪末,蒸汽机发展成为多级膨胀的立式装置,用以驱动螺旋桨,成为当时 典型的船舶动力装置。 同时高效、 高压的水管锅炉也逐渐取代了早期圆筒式苏格兰烟管锅炉。 20 世纪初,航行于大西洋上的巨型豪华客船,都以往复式蒸汽机为动力,单机功率达 20000 马力。蒸汽机动力装置的发展达到了顶峰。 蒸汽机动力装置的优点是结构简单,造价低廉,管理使用方便,制造工艺要求不高;缺点是 热效率低,本身重量大,特别是大功率蒸汽机的活塞、连杆等运动部件运转惯性很大,很难 平衡,且低压缸尺寸过大,不能获得有效的真空度。因此,自从汽轮机动力装置和柴油机动 力装置在船上试用成功以后,蒸汽机动力装置即逐渐被淘汰。第二次世界大战期间,美国为 应付战时紧急需要而建造的“自由轮”,是最后一批使用蒸汽机动力装置的远洋运输船舶。中 国还有少数沿海和内河船舶使用往复式多膨胀蒸汽机动力装置。 2)

汽轮机:

1896 年,英国人 C.帕森成功地将他发明的汽轮机作为推进动力机应用于一艘快艇上,试航 速度达每小时 34.5 海里。 此后汽轮机广泛用于大功率船上。 早期用汽轮机直接驱动螺旋桨, 不经过减速。 为了使螺旋桨能在理想的转速下工作, 后来在汽轮机动力装置上加装了减速齿 轮,使汽轮机和螺旋桨都能以各自的最佳速度运转。到 1916 年,几乎所有的船用汽轮机都 采用了减速装置,减速比由初期的 1:20 提高到 1:80 以上。采用减速装置以后,汽轮机可以 更高的速度运转,效率大为提高,机体尺寸相应缩小,整个装置更加紧凑,重量也大大减轻, 螺旋桨工作效率也大大提高,使汽轮机成为理想的大功率船用动力装置。至今某些大型客船、 超级油船和高速集装箱船等仍采用汽轮机动力装置。 汽轮机的优点是单机功率大,使用可靠,运转平稳,无振动和噪声,检修工作量小,锅炉可 燃用劣质油。但汽轮机油耗比柴油机高,即使采用再热循环的汽轮机装置,每马力小时的油 耗仍达 180~190 克,比低速柴油机高 40%左右。柴油机由于单机功率、燃烧劣质油的能力 和可靠性的提高,逐渐取代了汽轮机。

3) 柴油机:
20 世纪初,柴油机开始用于运输船舶。第一艘远洋柴油机船是 1912 年丹麦建造的“锡兰亚 迪”号, 主机为两台四冲程八缸柴油机, 共 1250 马力, 每分钟 140 转,直接驱动两个螺旋桨。 1914 年柴油机船占全世界船舶总吨位 0.5%,到 1940 年上升为 20%以上。

柴油机动力装置的最大优点是热效率高,燃料消耗明显地低于蒸汽机动力装置。长期以来, 柴油机动力装置有一系列改进,主要有:①20 年代出现以机械喷油取代用压缩空气喷油的 方法;②同一时期试制成废气涡轮增压器,提高了柴油机的功率和性能;③30 年代开始燃 烧重质柴油,降低了燃料费用。早期柴油机的功率不大。第一次世界大战时期用于商船的最 大柴油机功率仅 4000 马力,第二次世界大战前,单机功率达到 20000 马力。现代低速柴油机 单机功率已达 50000 马力以上。 现代船用柴油机大部分为低速机,转速约每分钟 100 转,可直接驱动螺旋桨。80 年代初,出 现了长冲程和超长冲程的低速机,每分钟转速降到 70 转以下,使螺旋桨发挥最佳效率。 但低速 机外形尺寸和重量大。 第二次世界大战后出现的大功率的中速机如今被逐渐应用于船上。 它 将气缸排列成 V 字形,采用减速齿轮,既大大减轻了机身重量,又有利于提高螺旋桨效率。 中速机由于机身短小, 可以减少机舱的面积和高度, 因此特别适用于尾机舱船和机舱位于甲 板下的滚装船和载驳船等。 经过不断的改进,柴油机动力装置日臻完善,它的燃料消耗量最低,能使用廉价的渣油,可 靠性较高,检修期间隔长达 30000 小时以上,热效率接近 50%,因此成为目前应用最广的船 舶动力装置。

4) 燃气轮机:
燃气轮机动力装置在 50 年代开始用于船舶。主要用于军用舰艇。燃气轮机同柴油机和汽轮 机比较,单机功率大、体积小、重量轻、加速性能好,能随时起动并很快发出最大功率。燃 气轮机在高温、高压下工作,对燃油质量要求很高,热效率也比柴油机低得多,因此在民用 运输船舶上应用不多。仅在某些气垫船上用于驱动空气螺旋桨。 5)

核动力装置:

1959 年美国在客货船“萨凡那”号上试用功率 20000 马力核动力装置成功;1960 年苏联在破 冰船“列宁”号上采用核动力装置,功率 44000 马力。此后,联邦德国和日本也分别建造了核 动力商船。但是,核动力装置的一个问题是环境污染问题,人们担心放射性物质污染航道、 港口和城市环境, 因此很多港口拒绝核动力船进港。 对核燃料使用后的核废料也还缺乏妥善 处理办法。所以,目前核动力装置还没有被民用船舶所采用。一些已建成的核动力船都已改 装为常规动力装置船。

五、 压水堆核动装置:
简单工作原理: 一回路:
在第一回路的反应堆里面有反应堆芯存放着核燃料和控制棒可控制核裂变速度及释放出 的能量,同时用控制棒起动或停堆。核裂变时释放出的热能被压力水带走,压力水由冷却剂 循环主泵供给, 压力水经过反应堆被加热后温度升高, 然后经蒸汽发生器将热量传递给第二 回路的水,而本身温度下降。压力水放热后进入冷却剂循环泵,被送入反应堆加热,这样形 成一个放射性的密闭循环回路。 为了安全可靠的工作, 一回路系统包括一些必需设置的辅助系统。 如为了稳定和限制一回路 系统冷却剂压力波动, 设有稳压器的压力安全和压力卸放系统。 稳压器的底部通过波动管接 于反应堆出口的热管段上,冷却剂可以从主回路涌入稳压器,或从稳压器返回主回路中。在 堆的入口冷管段上, 引出一个能够改变和调节流量的喷雾管接在稳压器顶部喷嘴上, 喷射主

回路中冷管段的冷却剂。系统运行时,如果工作压力超过整定的压力的上限时,压力传感系 统自动开启稳压器顶部的雾化喷嘴的压力控制阀, 则主回路冷管段的冷却剂在反应堆进, 出 口的自身压差作用下,喷射到稳压器上部蒸汽空间内,由于部分蒸汽冷凝的结果,使得回路 系统逐渐恢复到其正常压力限工作,从而保障了系统的安全、稳定运行。 压水堆一回路装置是为保证反应堆和蒸汽发生器正常运行及事故工况下安全工作而设 的系统和设备。所以,又称反应堆装置或核蒸汽发生装置。 按功用划分,一回路所设系统可分为 6 种: 1. 主冷却系统:担负循环冷却剂的任务。 主冷却系统的功用是在正常运行时将堆芯产生的热量传给蒸汽发生器,使二回路工 质变为蒸汽;在反应堆停堆时, 可用该系统除去堆芯剩余热量的一部分; 在事故时也可以 作为应急堆芯冷却的手段之一。此外,主冷却系统还为包容在运行温度和压力下的冷却 剂提供一个完整的承压边界,以控制放射性物理向系统外扩散。典型的主冷却系统的范 围为包括驱动机构包壳在内的反应堆压力壳,蒸汽发生器的一回路测,主冷却剂泵,稳 压器及到释放阀和安全阀的管系,联接上述设备的管道及管道附件,支管上的隔离阀及 高压管道。 2. 压力安全系统:进行容积和压力控制 在反应堆装置稳态功率运行时,维持主冷却剂压力为所要求的运行压力;当汽轮机 负荷变化时冷却剂温度随之变化,主冷却剂系统中冷却剂体积也随之变化,稳压器能充 分吸收该体积的变化;在汽轮机负荷变化的过渡过程中温度也随之变化,稳压器可限制 系统的压力波动在允许的范围之内;反应堆启动时,按主冷却剂系统升温升压的要求, 用稳压器将主冷却剂系统的压力从常提高到工作压力,停堆时,按降温降压要求使主冷 却剂系统压力降下来;用以排除主冷却剂系统中的某些有害气体 3. 水质控制系统:担负回路中冷却剂的净化,添加化学物质控制水质,对水质监测及取样 的任务,主要由净化系统,化学物添加系统,水质监测取样系统组成。控制水质的方法 通常有几种:采用过滤器除去颗粒状杂质,采用树脂床离子交换器除去离子杂质,向介 质中添加化学物品调整 pH 值,减少水中含氧量,监测水质指标。 4. 辅助水系统:由设备冷却水系统,补给水系统,一次屏蔽水系统,换料充排水系统和其 它辅助水系统构成 5. 工程安全设施:为了预防反应堆及附属设备发生事故以及在事故工况下限制和防止主要 设备损伤而设的设施,如余热及危急冷却系统,安全注射系统和安全喷淋系统,非能动 冷却系统等。 6. 放射性废物处理系统:为放射性废物的收集及处理而设

二回路:
二回路是将蒸汽的热能转换为机械能或电能的装置。 二回路系统主要是由蒸汽发生器二 次侧、蒸汽轮机、主冷凝器、冷凝水泵、给水加热器,除氧器、给水泵,循环水泵、中间汽 水分离器和相应的阀门、管道组成。 1. 蒸汽系统: 向主辅汽轮机及辅助用汽设备供给蒸汽的系统以及把用汽机械及设备的乏汽 导入主副冷凝器的系统。 2. 蒸汽排放系统: 一个蒸汽旁通管路, 其作用是把一部分蒸汽经减温减压后排入主或辅冷 凝器,防止主蒸汽系统超压,以满足安全性的要求。 3. 密封抽汽系统:为阻止空气漏入和蒸汽漏出汽轮机而设的系统。 4. 滑油系统:向汽轮机及轴系供给润滑油以及驳运分离滑油的系统。 5. 凝水给水系统: 其职能是将主辅冷凝器冷凝下来的凝水, 不间断的输送到蒸汽发生器中。 6. 高低压疏水及泄放水系统: 在启动时由于需要用蒸汽暖热汽轮主机、 辅机及其蒸汽导管, 因此产生凝水,另外有些换热器也会产生大量凝水。水积存在管道及汽轮机中,会损坏 阀件及汽轮机的叶片。因此,凡用蒸汽工作的机械、设备和管道必须有排放和收集此凝 水的管路,这些管路称为疏水系统。泄放水系统是接受蒸汽发生器的连续排污,用以回 收排污水及利用排污水热能的系统。 7. 冷却水系统:向冷凝器和各种热交换器供给冷凝水的系统。 8. 造水系统:用海水制造满足所需水质要求的淡化的海水淡化装置。

六、 核动力装置的特点
1、优点: 1)首先,核能最根本的特点是核燃料具有极高的能量密度。1 公斤可裂变物质铀完全分裂 所产生的能量大约相当于 280 吨优质煤,或 2100 吨燃油充分燃烧后得到的能量。例如,一 艘推进功率为 7.4 万千瓦的大型快船, 若采用常规动力装置, 全速航行 1 小时大概要消耗 35 吨燃油,而采用压水堆核动力装置,则仅需消耗 17 克的铀-235 核燃料。按目前船用反应堆 的技术水平, 如果携带了足够的食物用水等生活供应品和充足的武备弹药, 核动力装置可以 保证这艘船连续全速航行 300 昼夜以上。显然,作为舰船战术技术重要指标之一的续航力,

就再也不会像其他常规动力的舰船那样受到燃料装载量的限制和束缚了。 装载少量的核燃料, 提供极大的续航力, 对于增加船舶吨位和提高船舶航速来说, 其经济上的优越性也是十分重 大的。 核动力装置以消耗极少量的核燃料而释放出巨大的能量, 就可以保证船舶以较高的航 速航行极远的距离。美国第一艘核潜艇“鹦鹅螺”号可不补充燃料在水下环球一周(水下航 速 20kn,续航力 30000 海里) ,该潜艇从编入舰队历时二年零二个月,总共航行 60000 多海 里未添加燃料。 2)除了有很大的续航力这个优点之外,由于核反应与燃烧反应不同,核裂变过程不依赖氧 气, 核动力装置不需要像常规动力那样不断地向动力装置输送氧气。 因而用它作潜艇动力是 非常合适的并且有着无可比拟的突出优势。 装有核动力装置的潜艇, 只要能保证艇员在与外 界空气完全隔绝的舱室内正常生活的条件, 在艇员身体健康允许情况下, 就可以在水下持续 高速潜航很长的时间核动力装置的最大特点是不消耗空气而获得热能, 这就不需要进排气装 置。因而是潜艇极为理想的动力装置,它能大大提高潜艇的战斗力,使潜艇能长期隐蔽在深 水中,不易被敌舰所发现。同样.此特点对水面舰艇也有较大意义,因不需要进排气口,没 有烟囱减少甲板开口, 并在核战争中减少从烟囱及通风机中进入放射性杂质的危险性. 易于 核防御, 而且能减少敌人观察器材和热反应器材的发现及避免红外线自导武器攻击的危险性。 3) 核动力用作船舶推进的第三个优点是功率大。 在要求船舶具有较高的平均航速和较大 的续航力情况下, 由于核动力装置不需要携带大量的燃料, 总的重量尺寸与相同功率水平的 常规动力装置相比并不笨重。 常规动力装置在最大功率下的运行时间, 因为燃油消耗过多而 总是受到限制,每次出航,船长作出满功率运行的决定时都不得不慎重考虑。作战舰艇的航 海日志记录表明, 其满功率工况或接近满功率工况的使用时间, 占其全部航行时间的百分比 很小。但是,对于核动力舰船来说,由于反应堆堆芯核燃料具有极高的功率密度,对满功率 航行的限制已经失去了意义。 核动力舰船航行实践说明, 以尽量多的时间按满功率或者接近 满功率进行工作是合理的。此外,由于功率大、耗用燃料少,使得核动力装置在核燃料的供 应、运输和装载量等方面具有优越性。除舰艇而外,就是对其它具有专门特殊使命要求的各 种船舶来说,也十分吸引人。例如,对于要求具有大功率的破冰船和具有大吨位的矿砂船、 运油船、集装箱运输船等,都极为适宜选取核反应堆作为它们的推进动力源。 ,核动力装置 在限定舱室空间内所能供给的能量,比一切其他形式的动力装置要大得多,也就是说,它能 发出极大的功率, 可以设计出 50~100kn 以上的核动力舰艇, 目前只是受到主机制造及螺旋 桨所能吸收功率的限制。 4) 核动力装置的第四个优点是, 与锅炉蒸汽轮机动力装置相比较, 其运行特性较为稳定, 且又易于控制, 其负荷跟随特性也比较好。 尤其是压水堆核动力装置所固有的那种特殊的负 温度效应的自调节特性, 能够使反应堆装置较迅速地随着汽轮机进气阀开度变化而自动跟踪 调节。 这一特点提高了核动力装置的可操纵性, 对于核动力装置的控制是十分有利的。 今后, 随着船舶自动控制技术水平的提高, 还可以进一步改进核动力装置的起动和停堆的操作技术。 总的说,大功率船舶采用核动力装置是合适的,而潜艇用核动力的优越性更加显而易见。这 些年来,全世界广泛采用核动力装置,核动力推进船舶能够较快发展就是最好说明。 2、缺点 1)核动力装置的重量尺寸较大。由于核燃料裂变反应时释放出大量的放射性物质,对人体 有严重的杀伤作用,污染环境,因此必须对核反应堆及第一回路周围设置多层屏蔽系统。同 时考虑到意外灾害对核动力船的损坏, 应对整个动力装置设置屏蔽系统, 以阻止及截留放射 性物质逃离反应堆外,不致污染海洋。这些屏蔽系统具有很大的重量尺寸,使得装置重量显 著增加。屏蔽系统重量占整个动力装置的 35%以上。 2)操纵管理检测系统比较复杂。在防护层内的机械设备必须远距离操纵,而且在核动力船

舶上还必须配置独立的其他形式的能源, 来供给反应堆启动时的辅助设备和反应堆停止工作 后冷却反应堆的设备所需的能量, 这就增加了动力装置的复杂性。 另外在核动力船舶上还必 须设置专门的器械和设备装卸核燃料和排除反应堆中载有放射性之排泄物。 3)核动力装置造价昂贵。由于反应堆活性区的材料都须价格很贵的稀有高级合金,据 统计建造一个潜艇核反应堆比同样排水量潜艇的柴油机电动装置,造价要高 10 倍。另一方 面,核燃料亦昂贵,尤其浓缩铀,浓缩度愈高价格就愈贵。如核动力潜艇反应堆加满一次核 燃料(约用二年至二年半)要比载有一般动力装置潜艇在同一时间内所需的燃料,其费用要 高 10 倍左右。 4)核动力装置的热效率较低。由于第一回路的压力水的温度和压力受到反应堆中材料和核 燃料的耐高温性能的限制,而不能提得太高(目前压力水的压力已达 14.7-19.6MPa) ,否则 对反应堆的构造和强度设计带来较大困难,工作可靠性与安全性受到影响。因此,第二回路 蒸汽参数(压力和温度)受到限制,致使热效率较低。

七、 船舶核动力装置的应用:
目前,核动力装置主要应用于潜艇上。此外,在航空母舰、巡洋舰、原子破冰船上等也 有应用的例子,在民用船舶上的应用进展不大。然而基于核动力装置众多的优点,其发展前 景广阔。

参考文献: 《船舶核动力装置》彭敏俊哈尔滨工程大学 《船舶动力装置概论》杨志华哈尔滨工程大学 《核动力工程》杜泽 《百度文库》