核动力装置

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%，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。