2019, Vol. 41
国外海军核动力舰艇包括核潜艇、核动力巡洋舰和核动力航母，其中核潜艇和核动力航母是目前主要在役的核动力舰艇，是本文的研究对象。
从工程原理上来看，核潜艇与核动力航母所采用的反应堆相差不大。如美国新一代“福特”级航母采用的A1B型反应堆以及现役“尼米兹”级航母采用的A4W/A1G型反应堆都是在美国核潜艇S5W型反应堆基础上加以放大或适当改进衍生出来的。
国外海军核动力舰艇装备的核反应堆按布置方式可分为分散布置、半一体化布置和一体化布置3类。从装备数量和应用广泛程度来看，分散布置反应堆在核潜艇及核动力航母中均占有最大比例，分别占74%和91%；半一体化布置反应堆所占比例较少，约18%，且没有核动力航母应用案例；一体化布置反应堆在核潜艇及核动力航母都有应用，但所占比例最小，分别占8%和9%，如图1所示。
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图 1 国外现役核潜艇反应堆布置方式比例图 Fig. 1 Proportion map of the layout of active nuclear submarines’ reactors in foreign countries |
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图 2 国外现役核动力航母反应堆布置方式比例图 Fig. 2 Proportion map of the layout of active nuclear aircraft carriers’ reactors in foreign countries |
1）分散布置核反应堆装备情况
分散布置反应堆是指将反应堆、蒸汽发生器、稳压器和主循环泵等设备分散布置在反应堆舱内。由于该布置方式存在占用空间大、重量大等问题，国外海军一般采用紧凑分散布置方式，以减轻反应堆上艇/舰压力。
美国所有核潜艇和核动力航母均采用紧凑分散布置的核反应堆；英国核潜艇装备的PWR-2型反应堆主要基于采用美国S5W型反应堆技术的PWR-1型反应堆改进而来，亦采用分散布置；苏联第1代反应堆（VM-A及VM-1A等）和第2代反应堆（VM-4、VM-4P和VM-4C等）也是分散布置，并广泛装备在苏/俄第1代及第2代核潜艇上（如“维克多”级、“德尔塔”级等）。
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图 3 分散布置核反应堆原理图 Fig. 3 Schematic of dispersed nuclear reactor |
2）半一体化布置核反应堆装备情况
相比分散布置反应堆，半一体化布置反应堆取消了阀门，将蒸汽发生器、主泵与核反应堆压力容器以超短管连接，形成半一体化布置核反应堆。该布置方式使一回路不易漏水，并提高了蒸汽发生器管束与反应堆堆芯间的高差，从而提高了反应堆的自然循环能力。
苏联于1975年研制的第3代核反应堆（OK650B及OK650B-1等）采用了半一体化布置方式，并广泛装备于苏/俄第3代及第4代核潜艇（“阿库拉”、“亚森”、“北风”等）；此外，法国研制的首型“可畏”级弹道导弹核潜艇亦采用半一体化布置核反应堆。
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图 4 半一体化布置核反应堆原理图 Fig. 4 Schematic of semi- integrated nuclear reactor |
3）一体化布置核反应堆装备情况
一体化反应堆之所以被称为“一体化”，是因为它将堆芯、蒸汽发生器、冷却泵、增压器等所有系统的初级组件都装在压水壳内。这种布置方式完全取消了冷却剂系统中的管道连接，大幅减少了冷却剂阻力，有效提高了反应堆的自然循环能力。
俄罗斯曾建成陆上一体化模式反应堆，但由于造价高（有报道称比俄第3代反应堆贵1倍）、纵向尺寸大、维修及换料困难等原因，并未上舰/艇使用。目前世界上只有法国海军核动力舰艇采用了一体化布置反应堆，主要包括CAS48型和K15型2种型号，广泛装备法国第1代及第2代攻击型核潜艇、第2代弹道导导弹核潜艇以及核动力航母上。
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图 5 一体化布置核反应堆原理图 Fig. 5 Schematic of integrated nuclear reactor |
国外主要海军反应堆性能参数比较如表1所示。可以看出，与其他布置反应堆相比，法国一体化核反应堆具有自然循环能力高、采用低浓度铀核燃料、结构紧凑体积小等特点。
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表 1 国外主要海军反应堆性能参数比较 Tab.1 Comparison of parameters of major foreign naval reactors |
1）自然循环能力强
自然循环指在闭合回路内依靠热段（向上流）和冷段（向下流）中的流体密度差所产生的驱动压头来实现的流动循环。对于反应堆系统来说，如果堆芯结构和管路设计合理，就能利用这种驱动压头推动冷却剂在一回路中循环，并带走堆内产生的热量。自然循环压水堆提高了反应堆的固有安全性，降低噪声，简化了系统和设备。
相比分散、半一体化布置反应堆，一体化布置核反应堆在自然循环能力上具有明显优势。一体化布置反应堆完全取消了冷却剂系统中的管道连接，大幅减小了冷却剂阻力，从而有效提高了反应堆的自然循环能力。其中美国S9G型反应堆自然循环能力可达满功率的25%～30%，而采用一体化布置反应堆的法国K15型，其自然循环能力可高达50%。
2）采用低浓度铀核燃料
在20世纪60年代末，法国就开始用低浓度铀作为核燃料用在反应堆中。法国研制的CAS48型和K15型反应堆核燃料铀浓度仅为7%～20%，而美、英海军舰艇采用的核动力装置核燃料的铀浓度高达95%。
采用低浓度铀核燃料无须生产成本高、辐射高的高浓缩铀，有利于舰艇的经济性和安全性。但采用低浓度铀核燃料反应堆功率偏低，且换料周期短。目前美、英、俄新一代核潜艇反应堆基本达到“与艇同寿”，即全寿期内无需换料。而法国计划于2017年服役的新一代核潜艇“梭鱼”级装备的K15型反应堆堆芯寿命为10年，服役期内仍需换料。
3）结构紧凑、占用空间小
由于一体化布置反应堆将核反应堆与蒸汽发生器组合成一个装置，其内部只有管路和主循环泵，没有主动力装置一次回路，从而使反应堆具有结构紧凑、重量轻、占用空间小等优点，避免了因反应堆体积大而不得不增大核潜艇尺寸及排水量的问题。
例如法国第一代攻击型核潜艇“红宝石”级采用的CAS48型反应堆整个装置仅重35 t，是世界上最小的核潜艇（水下排水量2 670 t）。新一代攻击型核潜艇“梭鱼”级采用的K15型反应堆的高度和直径也只有10 m和4 m，潜艇水下排水量5 300 t，远低于美国“弗吉尼亚”级（7 800 t）、俄罗斯“亚森”级（8 600 t）、英国“机敏”级（7 400 t）等国外新一代攻击型核潜艇。
3 装备使用情况当前仅法国海军核潜艇和核动力航母采用了一体化布置反应堆，主要包括“红宝石”级攻击型核潜艇、“梭鱼”级攻击型核潜艇、“凯旋”级弹道导弹核潜艇和“戴高乐”号核动力航母。
1）“红宝石”级攻击型核潜艇
“红宝石”级攻击型核潜艇设计独特，性能较为先进，特别是该艇采用了CAS-48型一体化反应堆，该堆占据空间小、结构紧凑，具有鲜明的技术特征。“红宝石”级核潜艇另外一个典型的技术特征是采用电力推进方式，取消了减速齿轮箱，并且在正常航速航行时，采用自然循环方式，降低了潜艇噪声。但是由于核燃料的铀浓缩度较低，反应堆的换料周期较短。每隔5～7年，“红宝石”级核潜艇就必须入坞并切开压力壳更换核燃料，换料时间约5个月左右，这对潜艇实际海上作战值勤时间造成不利影响。
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图 6 一体化布置核反应堆布置图 Fig. 6 Schematic of integrated nuclear reactor |
2）“凯旋”级弹道导弹核潜艇
“凯旋”级弹道导弹核潜艇采用的动力装置与“红宝石”级核潜艇相同的核能电力推进方式以降低噪音，装备了K15一体化核反应堆，其功率达150 MW，驱动一组功率30.5 MW的涡轮发电机来带动推进器；此外，反应器产生的蒸汽也带动另一个蒸汽涡轮来产生船舰运作所需的电力。K15反应堆中一回路冷热剂温度达250℃，压力达到133 kg/cm2。这比美国现役的“俄亥俄”级弹道导弹核潜艇反应堆一次回路冷热剂的参数要低一些；K-15反应堆使用与法国核电厂类似的低浓度铀燃料（Low Enriched Uranium，LEU），其铀235浓度仅约为20%，核燃料更换周期为10年，高于CAS48型的7年。
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图 7 K15型反应堆原理图 Fig. 7 Schematic of K15 nuclear reactor |
2）“梭鱼”级攻击型核潜艇
“梭鱼”级潜艇核反应堆采用“凯旋”级弹道导弹核潜艇和“戴高乐”号航母所用K15型一体化自然循环反应堆装置的改进型，可使用与法国核电厂相同的核燃料，而无需特别研发专门的核燃料。其动力装置为混合构型，潜艇在低速航行时以核能系统带动低速电动马达以获得较佳的静音性能，高速时以蒸气涡轮直接驱动推进器。此外鉴于法国核动力航母及新型核潜艇均采用K15反应堆或其衍生版，未来法国海军所有核动力舰艇的动力系统将具有高度通用性。
3）“戴高乐”号核动力航母
在“戴高乐”号核动力航母动力系统研制上，法国论证后认为可以将“戴高乐”号和“凯旋”级核潜艇的核动力项目合并以节约研制费用。鉴于航母对核反应堆单堆功率需求大，核潜艇相对较小，法国采取了折中方式，选用了单堆轴功率30.5 kW的反应堆，其中“戴高乐”号装备2座K15型反应堆，热功率共300 MW。
总体来看，“戴高乐”号采用K15型核反应堆表现并不顺利，特别是总轴功率仅61 MW（法国上一代常规动力航母“克莱蒙梭”级为93 MW），致使“戴高乐”航母航速过慢，最大航速仅28 kn（“克莱蒙梭”级为32 kn），不但对航母战技性能造成不利影响，也不利于航母与其他海军舰艇编队协同作战。
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图 8 “戴高乐”号采用的K15反应堆模型 Fig. 8 The K15 nuclear reactor of De Gaulle |
从1983年首艘采用一体化反应堆的海军核动力作战舰艇—法国“红宝石”号核潜艇服役至今已有30余年，一体化核反应堆已成为法国核舰艇主要的动力系统，并对法国海军核舰艇发展产生重大影响，通过一体化核反应堆特点及国外一体化反应堆上舰/艇使用情况分析及梳理，可得到如下结论：
1）在经济性上，采用一体化反应堆有利有弊
一体化反应堆可以采用与民用核电站相同的低浓度铀核燃料，无需研发及生产昂贵的高浓度铀核燃料，具有良好的经济性。同时采用低浓度铀核燃料利于采用民用标准，例如法国在“梭鱼”级核潜艇设计中，如果民用标准能满足认证指标将被优先采用，这项举措使“梭鱼”级核潜艇的安全性与民用核安全标准比较一致，达到法国海军减少人员的要求，从而进一步减少成本。
但另一方面，采用低浓度铀核燃料的反应堆换料周期短，虽然法国海军认为更换核燃料的周期大致与舰艇设备翻修升级的时间周期同步，对实际值勤效率的影响不大，低浓度铀核燃料成本也不高。不过核潜艇换料所需的反应堆拆除、潜艇艇体切割等相关设备和作业工费以及核废料处理和最终处置等都需要大笔经费。总体而言采用低浓度铀核燃料运行一体化核反应堆的方式，更适合高浓度铀核燃料生产及储量不高的国家（如美国主要通过处理大量退役的核弹头获得高浓度铀核燃料）。
2）在作战性能上，一体化反应堆利于舰艇隐蔽性
一体化反应堆具有较强的自然循环能力，从而使潜艇在一定航速下不用启动主泵就可带出堆内热量，相当于去掉了核潜艇的一回路主泵噪声，从而提高了潜艇的隐蔽性。从使用情况看，在2015年年初一次大西洋海上演习中，法国1艘“红宝石”级核潜艇成功突破了美海军以“西奥多·罗斯福”号航母组成的航母编队强大的反潜网，显示出优秀的隐蔽性能。
3）在尺寸结构上，一体化反应堆利于舰艇小型化
法国海军主要的作战区域是北海、地中海和东大西洋沿岸的大陆架以及近大陆架浅海、中等深度等有利于中小型潜艇活动的海区。一体化核反应堆具有结构紧凑、重量轻、占用空间小等优点，有利于实现舰艇小型化，符合法国海军的实际需求。
4）在核动力航母方面，采用一体化反应堆要满足航母顶层设计提出的各种要求
在核航母动力装置研发上，早在20世纪50年代，美国在发展核动力航母初期时曾考虑直接使用S5W核潜艇标准反应堆型，但在大量论证下最终决定在S5W型反应堆基础上重新设计适用于核航母的大功率反应堆。
而法国受经济条件和技术水平的限制，其核动力航母“戴高乐”号直接引进核潜艇装备的K15核反应堆，从而出现了功率小、航速低、堆芯寿命短等诸多问题。其主要原因在于“戴高乐”号航母直接引进核潜艇反应堆并不规范，没有达到让核动力装置满足航空母舰总体的要求。从“戴高乐”号航母使用情况和存在的问题来看，核动力航母采用一体化反应堆具有可行性，但要按航母顶层设计的要求设计核动力装置，以满足航母各项战技要求。
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