船舶核动力装置

核动力装置NuclearPowerPlant,核科学与技术学院（V2009.03.4）,MNPP-L02,2020/5/8,核动力装置,2,船舶核动力装置,反应堆,一回路系统,二回路系统,推进系统,齿轮减速推进,电力推进,压水堆,3.船用核动力装置的基本组成,液态金属冷却反应堆,2020/5/8,核动力装置,3,压水堆核动力装置原理流程,2020/5/8,核动力装置,4,一回路系统,反应堆冷却剂系统,专设安全系统,一回路辅助系统,废物处理系统,一回路系统的基本组成,2020/5/8,核动力装置,5,二回路系统,汽轮机回路,蒸汽系统,循环水系统,润滑油系统,造水系统,二回路系统的基本组成,2020/5/8,核动力装置,6,二回路主机配置方案,2020/5/8,核动力装置,7,船舶推进方式,2020/5/8,核动力装置,8,1.3船舶核动力装置的技术经济指标,1.船用条件2.主要技术经济指标,2020/5/8,核动力装置,9,1.船用条件,（1）受海洋条件影响摇摆、倾斜、升降具有在海洋条件下正常运行能力（2）易产生海上事故碰撞、触礁、火灾、沉没，要求生命力强（3）负荷变化频繁、幅度大机动性要求（4）航行远离基地、码头维修、补给困难要求可靠性高,2020/5/8,核动力装置,10,1.船用条件,（5）船内舱室空间有限要求动力装置结构紧凑、占用空间较小（6）船上、港口人员密集辐射防护要求高（7）海洋气候潮湿,空气中含有盐分设备应具有抗腐蚀性能,2020/5/8,核动力装置,11,海上事故（1）,2007年1月9日，日本川崎汽船公司的“最上川”号大型油轮和美国“纽波特纽斯”号核动力潜艇在阿拉伯海的霍尔木兹海峡相撞。,油轮局部受损，但没有人员伤亡，也没有造成原油和核泄漏事故。,2020/5/8,核动力装置,12,海上事故（2）,2000年8月12日，造价10亿美元的俄罗斯核潜艇“库尔斯克”号在巴伦支海爆炸沉没，118人殉难反应堆处于安全关闭状态，没有造成核泄漏,2020/5/8,核动力装置,13,核动力潜艇的舱室空间,核电站的主控室与汽机厂房,2020/5/8,核动力装置,14,2.主要技术经济指标,（1）安全性（2）装置功率（3）经济性（4）重量尺寸（5）可靠性（6）适航性（7）生命力（8）机动性（9）隐蔽性,2020/5/8,核动力装置,15,（1）安全性,含义：对船上所有人员的健康和对周围环境的清洁与安全有切实可靠的保证。正常条件下，对人员的放射性辐照低于法定水平。事故情况下，安全系统及时投入，防止放射性物质外泄。是船舶安全的基础，是诸项指标中最基本的要求；核安全始终是在核动力装置的研制和使用中的首要问题。,2020/5/8,核动力装置,16,a.安全性要求,虽然核动力装置发生危险的可能性并不比其他动力装置大，但万一发生事故就会对环境和人员造成辐射；核动力舰船的检修和换料需要设置专用的码头和设施，运行和维修过程中产生的放射性废物需要适当的处理；为保证核动力舰船在意外和遭受攻击的情况下不发生核污染事故，核动力装置必须有很高的固有安全性。保证堆芯不烧毁；保证放射性物质不泄漏。,2020/5/8,核动力装置,17,b.辐射防护措施,核反应堆工作时，不可避免有强烈的放射性辐射，这就要求特别的屏蔽，限制或根本不让艇员进入潜艇的某些部位。广泛采用自动化设备，不断监测空气的放射性和采用其他一些安全措施。对船员照射剂量的极限值都有严格的标准规定。,2020/5/8,核动力装置,18,c.安全性设计原则,多道屏障燃料芯块及包壳一回路承压边界反应堆舱纵深防御预防事故发生防止运行偏差发展为事故限制事故后果应急计划,2020/5/8,核动力装置,19,安全措施示意图,2020/5/8,核动力装置,20,（2）装置功率,含义：指主汽轮机组输出有效功率，即船舶推进器的输入功率。有效功率=汽轮机内功率-汽轮机机械损失-齿轮减速器损失-轴系损失,2020/5/8,核动力装置,21,a.装置功率与船舶航速的关系,装置有效功率Ne与船舶航速vs、排水量D之间存在如下经验关系式：推进功率与航速的立方成正比排水量一定的舰船，推进功率越大，航速则越高高航速对于提高舰船的作战能力极为有利,2020/5/8,核动力装置,22,b.倒车功率,民用船舶：倒车功率=（40%50%）正车额定功率军用舰船：倒车功率=（20%40%）正车额定功率军用舰船推进功率通常大于民用船舶核动力装置中设置专门的倒车汽轮机来实现倒车,2020/5/8,核动力装置,23,（3）经济性,含义：反应堆热功率用于推进船舶的功率份额，表示能量利用的有效程度。核动力装置的经济性好，意味着核燃料的消耗相对较少，可延长换料周期军用核动力舰船在服役期内的换料次数减少，可以提高在航率，减少船壳大切口的次数，同时还可以减少换料过程中产生的放射性废物,2020/5/8,核动力装置,24,a.核动力装置的朗肯循环,4-5-1：定压吸热过程1-2：绝热膨胀过程（1-2a：实际膨胀过程）2-3：等温（定压）放热过程3-4：压缩过程,2020/5/8,核动力装置,25,装置效率定义为装置有效功率与反应堆输出热功率的比值，即装置总效率定义为装置输出总能量与反应堆输出热功率的比值，即,b.常用的经济性指标,npp=16%21%,2020/5/8,核动力装置,26,（4）重量尺寸,装置干重装置的机械、设备和管系的重量装置湿重装置干重+装置运行所必需的水和油的重量装置贮备重量液体的贮备重量消耗材料的重量和贮备仪器重量装置总重=装置湿重+装置贮备重量,2020/5/8,核动力装置,27,a.重量指标,单位功率的重量装置重量与装置有效功率的比值，t/kW装置相对重量装置重量与船舶排水量之比,2020/5/8,核动力装置,28,b.尺寸指标,容积饱和度装置有效功率与动力装置舱室容积的比值，kW/m3面积饱和度装置有效功率与动力装置舱室面积的比值，kW/m2长度饱和度装置有效功率与动力装置舱室长度的比值，kW/m通常：,2020/5/8,核动力装置,29,（5）可靠性,含义：装置在规定的时间内、在规定的使用条件下完成规定功能的能力。可靠性对于保证核动力装置的可用性极为重要，是保证核动力舰船充分发挥战术、技术性能的重要前提之一,2020/5/8,核动力装置,30,a.可靠性指标,可靠度设备在规定的条件下和预期使用期内完成其功能的概率，即不发生故障的概率。故障率（或失效率）平均失效间隔时间设备可用率、故障运行率维修度,2020/5/8,核动力装置,31,a.故障率随时间变化的“浴盆”曲线,2020/5/8,核动力装置,32,b.可靠性要求,核动力舰船的自给力提高，续航力增大，同时又限制人员接近核动力装置的很多部位，这就要求主机、辅机、系统、减速器等的工作有高度的可靠性，也就要求核动力装置的主要部件有很高的强度；核动力装置要有备用的机械、阀件、系统等；有良好的人-机-环境，减少人因失误。,2020/5/8,核动力装置,33,（6）适航性,含义：在航行时，动力装置受到某种限定海洋条件下的影响，仍然能够保证安全运行的能力。海洋条件：海洋环境对核动力装置造成的摇摆、倾斜和升沉等，使核动力装置承受附加的加速度。因舰船长期在海洋环境中工作，所以要求核动力系统、设备和操纵机构等能在摇摆、冲击和振动条件下稳定可靠地工作。,2020/5/8,核动力装置,34,a.舰船运动的类型数据,水面舰船甲板倾斜度,水面非军用船加速度,数据来源：国际海事机构（OMCI）,2020/5/8,核动力装置,35,b.设计限值,西屋公司纵倾5，横倾15纵摇7，横摇30（周期10s）其它要求横摇45（周期79s），纵摇15（周期68s）长期允许任何方向有20的持续倾斜短期（小于3min）允许任何方向有45的倾斜冲击加速度3g,2020/5/8,核动力装置,36,（7）机动性,含义：动力装置在一定时间内改变运行工况的能力。机动性的内容：启动时间从冷态到热态所需时间变速能力改变功率水平的时间变向能力正、倒车转换时间及倒航时间续航力舰船装载一次燃料所能持续航行的距离,2020/5/8,核动力装置,37,机动性要求,由于舰船机动性的特点，船用核动力装置相比陆用的需要额繁地改变功率，且航行中运行工况变化也较大。作战舰艇航速的大幅度迅速变化；快速升负荷，3060s内，装置功率从10%升至100%快速降负荷，2s内，装置功率从100%下降到10%事故情况下，0.81.2s内实现停堆破冰船破冰过程核动力航母蒸汽弹射过程,2020/5/8,核动力装置,38,（8）生命力,含义：在遭到战斗破损或事故破损时，装置能够保证或者可能恢复其功能的能力。对于在海洋中航行执行作战任务的军用舰船，动力装置的生命力直接关系到舰船的生死存亡对于承担战略使命的核动力潜艇，动力装置的生命力甚至关系到国家的命运,2020/5/8,核动力装置,39,a.生命力保障措施,主动力分组布置（如双机方案）应急贮备（关键设备完全备份）采用互换性好的设备和仪表重要设备单独供电，设置应急供电系统重要消耗品分散布置具有破损报警装置及隔离装置,2020/5/8,核动力装置,40,b.生命力设计实例,美国的“飞鱼”号及其以后所有美国核潜艇上普遍采用机械设备的“双重设置”原则，即同一设备有两套的设计原则。前苏联/俄罗斯在生命力研究和设计中也很重视这一原则。核潜艇动力装置的主要部件（除了反应堆、减速器、轴系和螺旋桨外）都尽可能双重配置，有些核潜艇设置两座反应堆,2020/5/8,核动力装置,41,（9）隐蔽性,含义：动力装置运行过程中发出的物理场不被外界探测到的能力。隐蔽性是提高舰船生存能力的重要手段，在“发现即摧毁”的今天，隐蔽性显得尤其重要隐蔽性也是达到作战突然性的重要前提,2020/5/8,核动力装置,42,a.影响隐蔽性的主要因素,噪声主冷却剂泵、齿轮减速器、螺旋桨等回转设备流体噪声放射性放射性废物的排放放射性物质的泄漏,2020/5/8,核动力装置,43,b.提高隐蔽性的措施,控制水下噪声水平消除噪声源采用自然循环反应堆；使用电力推进；提高运转设备加工精度；采用泵喷推进器隔离噪声源使用减振器、隔离壳和吸音材料，采用整体式减振浮筏控制放射性外泄强度限制排入海水中的放射性物质；保证对反应堆足够的放射性屏蔽。增大下潜深度，利用海洋背景提高隐蔽性,2020/5/8,核动力装置,44,c.“东芝事件”的背后,20世纪80年代初，日本东芝机械公司背着巴黎统筹委员会，向前苏联出售了4台高精密的加工船用螺旋桨的数控机床前苏联使用这种铣床加工出高质量、低噪音的大型船用螺旋桨，将新型核潜艇的噪音大幅下降，致使美国的一艘核潜艇于1986年10月在直布罗陀附近海域跟踪前苏联核潜艇时与其发生了相撞事件在此之前，前苏联海军核潜艇在200海里以外有所动作，美国核潜艇不仅能够发现，而且能够辨别其特征美国极为震怒，向日本政府施压，严厉制裁东芝公司，许多当事人被捕，这就是哄动一时的“东芝事件”,2020/5/8,核动力装置,45,1.4船舶核动力装置的发展趋势,1.国外船舶核动力装置的发展概况2.船舶核动力装置技术发展趋势,2020/5/8,核动力装置,46,1.国外船舶核动力装置的发展概况,美国前苏联/俄罗斯英国法国,2020/5/8,核动力装置,47,“鳐鱼”级(4)，19551959“鲣鱼”级(6)，19561961“长尾鲨”级(14)，19581967“鲟鱼”级(37)，19631974“洛杉矶”级(62)，19761996“海狼”级(3)，19952001“弗吉尼亚”级(3)，199620047级，共计131艘,“华盛顿”级(5)，19571961“伊桑艾伦”级(5)，19591967“拉菲特”级(31)，19611967“俄亥俄”级(18)，197619974级，共计59艘,SSN,SSBN,.美国,2020/5/8,核动力装置,48,发展研制分代,2020/5/8,核动力装置,49,美国发展的船用堆系列,1.西屋公司的SW系列陆上模式堆：S1W，A1W装舰堆：S2W，S3W/S4W，S5W，S5W-，S6WA2W，A4W，C1W2.通用电气公司的SG系列陆上模式堆：S1G，S3G，S7G装舰堆：S2G，S4G，S5G，S6G，S8G，S9GD2G，A1G,2020/5/8,核动力装置,50,美国船用动力堆的命名规则,两个字母中间加一个数字：,2020/5/8,核动力装置,51,表1美国潜艇堆主要性能表,2020/5/8,核动力装置,52,N级，13V-I级，16V-II级，7V-III级，25“阿尔法”级，7M级，1“鲨鱼”级，12“塞拉”级，6,H级，8Y级，34D-级，18D-级，4D-级，14D-级，7“台风”级，6,攻击型,弹道导弹型,E-级，5E-级，29C-级，12C-级，6P级，1“奥斯卡”-级，2“奥斯卡”-级，12,巡航导弹型,.前苏联/俄罗斯19502003：建造248艘核潜艇和5艘水面舰艇,2020/5/8,核动力装置,53,前苏联/俄罗斯,压水堆紧凑布置直管式高效直流蒸汽发生器安静性“雅森”级,第一代50-60年代,第二代60-70年代,第三代80-90年代,第四代20世纪末,发展过程,压水堆、单流程螺旋管式管内直流蒸汽发生器Y级、D级、C级、V级,通用化、模块化列管式直流蒸汽发生器台风级、奥斯卡、S、阿拉库,压水堆、双流程盘管式管外直流蒸汽发生器“阿尔法”级攻击核潜艇,2020/5/8,核动力装置,54,英国,购买美国潜艇压水堆,研制A、B、Z三种堆芯勇士、快速、特拉法尔加,研制成果G、前卫级核潜艇,S5W,PWR-1,PWR-2,2020/5/8,核动力装置,55,法国,1960年建立路上模式堆PAT1971年CAP攻击核潜艇陆上模式堆1983年CAS-48一体化压水堆（“红宝石”级攻击核潜艇）200年“戴高乐”号核动力航母,2020/5/8,核动力装置,56,2.船舶核动力装置技术发展趋势,提高安全可靠性延长堆芯寿命增强自然循环能力减振降噪,2020/5/8,核动力装置,57,.提高安全可靠性,提高反应堆的固有安全性；提高反应堆的自然循环能力；采用非能动安全系统；提高自动控制水平、减少误操作。,2020/5/8,核动力装置,58,.延长堆芯寿命,堆芯寿命：反应堆一次装料所使用的时间。提高转换比和堆芯中子经济性；燃料元件采用稠密栅布置；优化燃料元件结构；采用可燃毒物控制，适当加大燃料的初始装载量。,2020/5/8,核动力装置,59,.增强自然循环能力,增大反应堆与蒸汽发生器之间的热中心位差减小一回路及其相应设备的流动阻力强化蒸汽发生器的换热特性改进反应堆结构增大堆芯进、出口冷却剂的温差，适当提高堆芯含汽率采取适当控制措施，减小海洋条件对自然循环的不利影响,2020/5/8,核动力装置,60,.减振降噪,采用全电力推进在结构上使动力机械与艇体分离，采用弹性减振机座和其它减振、消音措施改进螺旋桨设计，提高螺旋桨加工精度采用泵喷射推进器采用自然循环反应堆，消除主泵的运行噪声采用高强度