航空母舰核动力系统技术特点研究及未来发展趋

0 引言

2009年5月12日，美国“小鹰”号常规动力航空母舰结束了长达48年的服役期，正式退出现役，给美国海军常规动力航空母舰时代画上了句号。至此，美国海军现役航空母舰已全部为核动力航空母舰，开始步入全核动力航空母舰时代。

1 航空母舰核动力系统组成

现役的核动力航空母舰，如美国的“尼米兹”级、“福特”级和法国的“戴高乐”号，使用的都是压水型反应堆。其核动力系统由反应堆及一回路系统、二回路系统、综合控制系统、专设安全与辐射防护系统、推进系统等几部分组成，包括反应堆、蒸汽发生器、稳压器、主冷却剂泵、主汽轮齿轮机组、推进轴系等主要设备，以及维持核动力系统正常运行、保证对人员健康和安全不会造成特别危害所需的其他结构、系统和部件[1-4]。

2 航空母舰核动力系统的技术特点

航空母舰核动力系统可将核裂变能转换为推进航空母舰的动力，与常规蒸汽动力系统相比，具有以下几个显著特点[5]：

（1）核燃料具有极高的能量密度，燃料重量占全舰载重量的比例较小。核燃料的能量密度是常规燃料的几百万倍，核动力航空母舰不需要携带大量燃料，也不需要频繁补给燃料，提高了自持力和战斗力。

（2）可为航空母舰提供较大的续航力和推进功率。航空母舰反应堆一次装载的核燃料，可以保证航空母舰连续全速航行300天以上，美国三代核动力航空母舰的推进功率都达到了206 MW（28万马力），航行速度在30 kn以上。

（3）核裂变反应不需要氧气，有利于提高航空母舰的隐蔽性。核动力航空母舰不需要像常规动力航空母舰那样设置庞大的进气、排气系统，简化了船体结构设计，减少了航空母舰的红外特征。

（4）核动力系统较为稳定、易于控制。与常规蒸汽动力系统相比，压水堆核动力系统具有自稳自调特性，负荷跟踪特性比较好。

（5）核裂变反应具有一定放射性，增加了核动力系统的复杂性。由于必须考虑核裂变放射性屏蔽、反应堆停堆后的衰变热导出及高温高压的冷却剂管道破裂的防护，核动力系统与常规动力系统相比更为复杂，运行和管理的要求更高。

3 航空母舰核动力系统的主要功能

（1）以舰用大功率核反应堆为能源，产生的饱和蒸汽为本舰推进主机、发电机等提供热能。

（2）通过蒸汽热能推动主汽轮机组、轴系带动螺旋桨为本舰提供推进功率，通过汽轮发电机组为本舰提供电能[6]。

（3）向海水淡化装置、液舱加热系统和日用蒸汽系统等全舰相关用户提供工作蒸汽。

（4）设置核安全设施，用以保证反应堆安全停堆、堆芯充分冷却，限制事故的进展并减轻事故后果。

（5）设置辐射防护系统，使核动力航空母舰舰员辐射剂量符合相关标准规定并保持在合理可行尽量低的水平，使公众和环境免受放射性危害。

4 航空母舰核动力系统技术发展趋势

航空母舰动力系统未来可能存在多种动力型式，但核动力仍将是其中主要的动力型式。航空母舰核动力系统最新发展的趋势和特点主要表现在以下几个方面[7]：

4.1 提高安全性与可靠性

提高反应堆的固有安全性。固有安全性是指反应堆在运行参数偏离正常时能依靠自身物理规律趋向安全状态的性能。例如，压水堆的慢化剂温度系数和燃料多普勒系数一般为负值，在功率波动时，反应堆具有一定的自稳自调能力，这就是固有安全性的一种体现。在反应堆设计中引入固有安全性，是保证反应堆安全的重要方法。

应用非能动安全系统，弥补安全系统只有依靠舰上电力才能投入使用的缺陷，使核动力系统在各种事故条件下，不需人为操作，就能自动保证反应堆的安全。依靠重力、对流、蒸发等自然过程自动处理各种事件，即使在发生严重失水事故时，也能保证堆芯得到充分冷却；由于不需要运行人员操作，可以避免人为误操作的发生。

“尼米兹”级航空母舰反应堆主要基于20世纪60年代的核技术，受当时的计算能力、测试数据以及所使用的设计规则限制，其建模能力十分有限，因此为了保证安全性，只能执行保守的工艺和程序。“福特”级的A116反应堆在保证安全的前提下降低了设计保守性，通过改进方法并开发新模型，进行结构力学、流体力学、动态结构负载的预测和分析，建立新的堆芯性能规范，使堆芯运行效率最大化，通过计算模型的精确化，在保证核安全的基础上，有效提高了核动力系统的使用性能。

文章来源：《核动力工程》 网址: http://www.hdlgc.cn/qikandaodu/2021/0221/387.html