现代常规潜艇的小堆AIP 技术

第 31 卷 第 2 期 核 技 术 Vol. 31, No.2 2008 年 2 月 NUCLEAR TECHNIQUES February 2008 —————————————— 第一作者：刘光亚，男，1959 出生，1997 年于华中科技大学获硕士学位，现为南华大学博士研究生，研究员级高工，动力与电气工程专业 收稿日期：2007-02-09，修回日期：2007-11-12 现代常规潜艇的小堆 AIP 技术 刘光亚 1,2 凌 球 1 1（南华大学核科学技术学院 衡阳 421001） 2（湖北工业大学电气与电子工程学院 武汉 430068） 摘要 本文从现代潜艇对动力系统的要求出发，提出了现代常规潜艇的小堆不依赖空气推进系统(Air Inde- pendent Propulsion，AIP)的技术原理、结构配置与适用堆型；并展望了小堆 AIP 系统现代常规潜艇的性能状况。 关键词 常规潜艇，核潜艇，小堆，AIP 中图分类号 U674.76 现代战争更加依赖于具有最大限度隐身能力的 潜艇[1]，而潜艇的隐身能力主要取决于潜艇动力装 置的配置。 核潜艇推进功率达数万千瓦，一次装料可连续 运转多年，续航力数十万海里，几乎可不受时间限 制地高速航行。但是，核潜艇反应堆一回路大功率 主泵发出较大噪声，影响潜艇隐蔽性；核潜艇的建 造与全寿命期保障的总费用是一艘常规潜艇的数 倍；另外，制造和使用核潜艇还受到政治和社会因 素的制约。 常规潜艇的造价和维护费用低，但其水下航行 动力为蓄电池，因容量有限，蓄电池的重量可占排水 量的 10％左右，且其维持水下航行的时间也有限， 蓄电池电量下降到一定程度，潜艇须上浮到通气管 深度，由柴油发电机组给蓄电池充电，此时的潜艇 易受攻击。 上世纪 80 年代以来，发达国家纷纷开展潜艇改 造研究，以避免常规潜艇通气管状态的使用、增加 水下续航行时间、降低暴露率、提升其战术水平， 发展了由不依赖空气推进系统 (Air Independent Propulsion，AIP)给潜艇提供辅助动力的设计理念。 常规燃料 AIP 技术包括闭式循环柴油机、斯特林发 动机、自主式潜艇能源系统、燃料电池等装置。加 装常规燃料 AIP 后，潜艇的水下续航时间从数天提 高到数周，乃至更长。但常规燃料 AIP 动力系统较 复杂，且潜艇携带的燃料有限，要提高续航力就须 载带大量的燃料和氧化剂，从而增大潜艇尺寸。现 有的各类常规燃料 AIP 系统均无法为排水量 1500—2000 t 的中型常规潜艇提供足够的能量，使 其能以 10 节左右的航速在水下长时间航行，并保证 艇上的生活用电。因此，要最大限度地提高常规潜 艇的续航力和隐身能力，还需要小堆 AIP 系统。 1 小堆 AIP 技术 1.1 技术原理 小堆 AIP 技术是在常规潜艇上增设一套小型化 的核动力装置，提供水下航行动力，构成柴电与小 堆核电组合的动力系统，即小堆 AIP 系统。其原理 如图 1 所示。通常情况下，潜艇由蓄电池组或柴油 发电机组供电；长时间水下潜航时，由 AIP 系统供 电，使电机在低速工况下运行，并给蓄电池组充电， 高速航行时由 AIP 系统与蓄电池组并联供电。 1.2 系统配置与核安全保障 小堆 AIP 技术应用于潜艇的基本配置如图 2 所 示。小堆 AIP 采用结构紧凑、模块化、低温低压、 自动化程度高、堆芯寿命长和经济性好的堆型，其 换料和在役检查设备与反应堆结构相适应，并采用 包括非能动安全壳冷却、堆芯非能动淹没和余热排 出等功能的非能动安全系统，反应堆固有安全性好。 小堆 AIP 的放射性工艺系统布置相对集中，有放射 性的设备和管路设置在带有负压系统、能承受足够 压力的、容积尽量小的 AIP 舱段内，并设置有一、 二次屏蔽和局部屏蔽，其一次操作所接受的剂量就 大大低于年剂量允许值的 1/10 (5 mSv)，具有良好 的核安全保障。 第 2 期 刘光亚等：现代常规潜艇的小堆 AIP 技术 153 1.3 适用堆型选择 潜艇的空间和载重有限，且长期在海洋中航行， 运行条件与工况变化大，小堆 AIP 技术除按图 2 所 示协调各组成间的关系和分配、控制其功率外，就 是选择适合潜艇使用的堆型。 图 1 AIP 系统原理示意图 F1、F2：柴油发电机；F3、F：小堆 AIP 系统发电机；DC1、DC2：蓄电池组；IQFGB、2QFGB：蓄电池断路器；1QFG、2QFG： 发电机断路器；1Q～6Q：非自动开关；3QFG、4QFG：AIP 系统发电机断路器；SM：推进电机；IV1～IV6：逆变器组件 Fig.1 Principle of small nuclear power AIP system F1, F2: Diesel generator; F3, F4: Small nuclear power AIP generator; DC1, DC2: Storage battery; 1QFGB, 2QFGB: Battery circuit breaker; 1QFG, 2QFG: Generator circuit breaker; 1Q～6Q: Non-automatic switch; 3QFG, 4QFG: AIP generator circuit breaker; SM: Main motor; IV1～IV6: Inverter circuit 图 2 小堆 AIP 系统基本配置框图 Fig.2 Basic configure of small nuclear power AIP system 固有安全性好、结构紧凑、自动化程度高、堆 芯寿命长和经济性好的堆型是小堆 AIP 系统的首选 堆型，目前，适用于常规潜艇的小堆 AIP 系统的堆 型有脉冲堆、高温气冷堆和小型一体化压水堆等。 脉冲堆有 1000 堆·年运行的经验。加拿大 ESC 集团发展的1000 kW的小型脉冲堆AMPS1000核动 力系统可用于 2000 t 级的常规潜艇[2]，其各项参数 见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1。该系统采用铀-氢化锆合金为燃料元件，与 低温低压的氟里昂 Rankine 转换系统结合，具有安 全性良好、保持裂变产物的性能好、结构紧凑、寿 命长、技术上成熟等特点，其负温度系数很大，可 在数秒内使功率下降到瓦级水平，特别适应于潜艇 运行工况变化大的情况。 表 1 AMPS1000 型动力装置的主要设计参数 Table 1 Specifications of AMPS1000 reactor 项目 Items 设计值 Specifications 项目 Items 设计值 Specifications 堆芯热功率 Core thermal power/MW 10.8 堆芯出口冷却剂温度 Exit temperature of core coolant /℃ 207 辅助负荷功率(海水温度 0~15℃) Auxiliary load power in 0~15℃ sea water/kW 1700 堆芯功率密度 Core power density /kW·L-1 44 辅助负荷功率(海水温度 30℃) Auxiliary load power in 30℃ sea water/kW 1432 冷却剂流量 Coolant flow /kg·s-1 125 净效率 Net efficiency /％ 15.7 工 质 Refrigerants Steam 燃料 Fuel U-ZrH1.6 气轮机进口压力 Turbine inlet /MPa 1 包壳 Shell Incoloy 800H 蒸汽温度 Steam temperature /℃ 181 燃料元件数 Fuel elements 1275 气轮机流量 Turbine flow rate/ kg·s-1 4.1 燃料更换周期 Fuel replacement cycle /a 8～10 背 压 Back pressure / kPa 10.3 运行压力 Operating pressure /MPa 3.67 冷凝器海水流量 Condenser water flow rate /kg·s-1 133.8 154 核 技 术 第 31 卷 1987 年，美国通用原子能公司与加拿大 ESC 集团联合研制了作为海底探测潜艇的动力系统 AMPS-1(图 3)，输出功率 100 kW，能供 1300 天的 全航速使用。1991 年，中国核动力研究院研制了铀 -氢锆池式脉冲堆，瞬发负温度系数绝对值不小于 8×10-5ΔK•K-1 ℃，最大脉冲峰功率 3420 MW，稳定 功 率 为 1000 kW ， 中 子 通 量 密 度 峰 值 为 6×1016cm-2•s-1，其安全性好、造价低，经潜用化技术 改造后也可用于小堆 AIP 系统。 图 3 AMPS-1 的示意图 1. 动力舱，2. 预热器，3. 蒸汽发生器，4. 水处理器， 5. 加压器，6. 冷却剂贮存箱，7. 进出口，8. 屏蔽， 9. 堆芯，10. 反应堆容器，11. 衰减器，12. 船廓 Fig. 3 Scheme of AMPS-1 1. Motive cabin, 2. Preheater, 3. Steam generator, 4. Seawater processor, 5. Pressurizer unit, 6. Coolant stores box, 7. Import and export, 8. Shielding, 9. Core, 10. Reactor vessel; 11. Attenuator, 12. Outline of vessel 高温气冷堆采用全陶瓷燃料元件、石墨为慢化 剂和结构材料，用氢、氦或其它气体取代压水冷却 剂，加热到 700℃以上，远高于轻水反应堆的 330℃ 和液态金属反应堆的 550℃。其热效率可达 40%(轻 水反应堆仅为 33%), 且其具有极强的固有安全性， 无需复杂昂贵的专设安全系统，许多国家因此高度 重视高温气冷堆的发展。1967 年，美国建成 40 MW 的 Peach Bottom 实验高温气冷堆，法国已有 8 座 Magnox 型气冷堆的经验，日本于 1999 年建成小型 高温气冷堆(HTTR)，南非将建成 11 座高温气冷堆 (PBMR)；我国清华大学的 HTR-10 高温气冷堆(图 4)于 2003 年并网发电[3]。高温气冷堆技术的日趋成 熟，各国对其潜用化技术改造后，将成为常规潜艇 小堆 AIP 系统的主要堆型之一。 一体化压水堆也称紧凑布置压水堆，采用低功 率密度堆芯、体积小且传热性能好的直流蒸汽发生 器，一回路系统由较短的双层套管将反应堆本体与 冷却剂主泵和蒸汽发生器连接而成，控制棒驱动机 构和稳压器置于压力容器内。图 5 是日本原子能院 (JAERI)研制的深海探测潜器所用的 DRX[4]小型一 体化压水堆的示意图，输出功率为 150 kW。其反应 堆容器、蒸汽发生器、气轮机、发电机及其部件、 控制棒驱动机构均包含在由两个 Φ2.2 m 的钛合金 球型壳连接而成的压力容器内，结构紧凑。堆芯采 用非能动安全系统，冷却剂自循环冷却，与常规的 PWR 比较，该反应堆冷却剂的负反应性系数很大， 冷却剂密度每减少 1%，负反应性就相应减少 0.4%， 从而使 DRX 具有良好的瞬态运行特性。 图 4 10 MW 高温气冷堆示意图 1. 氦循环风机，2. 蒸汽发生器，3. 冷氦联箱， 4. 冷氦通 道，5. 堆芯，6. 热氦通道，7. 热氦联箱，8. 热气导管 Fig. 4 Scheme of 10 MW high temperature gas-cooled reactor 1. Circulating He fan, 2. Steam generator, 3. Cold He tank, 4. Cold He channel, 5. Core, 6. Hot He channel, 7. Hot He tank, 8. Hot air duct 图 5 DRX 装置的简图 1. 发电机，2. 透平，3. 冷凝器，4. 蒸发器，5. 控制棒驱 动结构，6. 热绝缘体，7. 辐射屏蔽，8. 堆芯，9. 压力容器， 10. 反应堆容器，11. 蒸汽发生器，12. 透平出口， 13. 给水泵，14. 海水 Fig. 5 Scheme of DRX 1. Generator, 2. Turbine, 3. Condenser, 4. Evaporator, 5. Drive-Structure of control rods, 6. Thermal insulation, 7. Radiation shielder, 8. Core, 9. Pressure vesse, 10. Reactor vessel, 11. Steam generator, 12.Turbine export, 13. Pump, 14. Seawater 第 2 期 刘光亚等：现代常规潜艇的小堆 AIP 技术 155 1.4 退役去污 小堆 AIP 系统应用于常规潜艇，通常须将小堆 设计成可移动的安装模块，并将所有放射性工艺系 统集中布置在小堆 AIP 舱段内。小堆 AIP 舱耐压体 上方设置开孔可拆板，便于小堆 AIP 系统设备、部 件和管路的吊装，也便于其退役拆除。小堆 AIP 系 统常规潜艇可方便地实施Ⅲ级退役和去污。 小堆 AIP 系统常规潜艇的退役去污包括拆除小 反应堆整体模块前的 AIP 舱与系统去污和小反应堆 拆除过程中的拆除去污。去污的方法主要有物理去 污和化学去污[5]；对放射性回路实施化学去污，对 小堆 AIP 舱采用高压水去污；拆除去污着眼于表面 污染材料的回用，减少退役废物处理和处置量，拆 除去污可着重考虑采用电化学去污技术。 与普通核设施退役去污不同，小堆 AIP 系统常 规潜艇的退役去污都是最终去污，且去污系数高， 可满足 DF＞20 的要求。 2 展望 在作战区域潜艇在 70%~80%的时间内处于低 速巡航状态，实施进攻和逃逸的时间只有 20%左右， 因此，能否同时满足潜艇长时间低速巡航和高速攻 击以及在实施攻击之后有足够的逃逸速度，是选择 潜艇动力时的主要考虑，选择小堆 AIP 系统作为常 规潜艇的辅助动力系统，由于核燃料裂变不需要空 气，且一次装料可满功率运行一年以上，中间无需 添加燃料，不受下潜深度和潜伏时间的限制，为全 航程提供足够的能源，可满足长时间水下低速巡航 时的动力要求。其与常规潜艇的蓄电池组并联使用， 则可满足潜艇高速攻击与逃逸的速度要求。 潜艇的费效性是选择潜艇动力的另一主要考 虑。表２是美国 Rains 等[6]对核与非核及组合核动 力系统的对比研究结果，在相同的有效载荷(战斗力) 下，常规燃料 AIP 潜艇的尺寸和成本比核潜艇小， 而小核动力组合动力系统潜艇最小。 表 2 各类潜艇的数据 Table 2 Submarine data recorder 动力装置类型 Type of Power 核动力系统 Nuclear power 布雷顿密闭循环 Brayton cycle 燃料电池 Fuel cell 小核动力/蓄电池 Small nuclear power/battery 水下排水量 Underwater displacemen (t) 7014 6221 6403 5679 安装的动力 Install HP 32865 30556 31086 7566(核动力) Nuclear power 巡航费 Cruise HP(M USD/HP) 956 915 925 888 采购费 Purchase (M USD/year) 1104 876 930 888 运行与维修费 Operation and maintain cost (M USD/year) 23.2 12.9 12.9 22.5 年寿命循环费 Life cycle costs (M USD/year) 59.9 42.1 43.9 52.1 随着科学技术的发展，潜艇的核动力装置小型 化已有阶段性的突破，且适用于小堆 AIP 系统的小 型核动力装置，因其一回路循环泵的功率远小于压 水型反应堆一回路主泵功率，发电机与蒸汽透平直 接连接而不采用减速齿轮，航行噪声已不突出；加 之低功率小型反应堆技术比 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 型压力反应堆技术 简单，要求也不苛刻和严格，柴电与小堆核电组合 动力潜艇的造价和技术复杂性也将大大低于核潜 艇。可以预见，小堆 AIP 技术是很有发展前途的技 术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，一旦装备潜艇后，将会使现代常规潜艇的 攻防作战能力大幅提升，而且，随着核动力技术的 日趋成熟，小堆 AIP 技术将更加完善，其应用前景 将更为广阔。 参考文献 1 Technology for the US Navy and Marine Corps 2000—2035［C］, 2000 2 晓 明. 现代舰船, 1994, (6): 19—22 XIAO Ming. Modern Ships, 1994, (6): 19—22 3 沈 苏. 东方电气评论, 2004, 18(1): 50—54 SHEN Su. Dongfang DianqiI Pinglun, 2004, 18(1): 50—54 4 Lida H. Nucl Technol, 1994, 10(7): 38—48 5 Noyes R. Nuclear waste cleanup technology and opportu- nities. New Jersey: Noyes Publications, 1995 6 Rains D A, Mitchell K A, 陈世君, 译. 国外核动力, 2004, (1): 1—5 Rains D A, Mitchell K A. Translating by Chen Shijun. Nuclear Power Abroad, 2004, (1): 1—5 156 核 技 术 第 31 卷 Small nuclear power AIP technology applied in modern conventional submarine LIU Guangya1,2 LING Qiu1 1 (College of Nuclear Science and Technology, Nanhua University, Hengyang 421001, China) 2 (College of Electrical and Electronic Engineering, Hubei University Technology, Wuhan 430068, China) Abstract This paper gives a review development of air independent propulsion (AIP) system for submarine appli- cations. The principles, configuration and suitable reactor-type about small nuclear power AIP are presented and per- formance status of the submarines equipped with small nuclear power AIP is given. Key words Conventional submarine, Nuclear submarine, Small nuclear power, Air independent propulsion CLC U674.76