軍用核動力

將核裂變和衰變反應產生的熱能轉換成機械能與電能，為艦船及其他軍用裝置提供動力和電源的總稱。

軍用核動力技術是軍用核技術的重要組成部分，是戰略核威懾的重要支撐技術。軍用核動力主要包括軍用艦船核動力和空間核動力。

核動力是軍用艦船的理想動力，它可以用比燃煤、燃油少得多的核燃料為艦船提供更多的能量，從而提高艦船的航速和機動性，增大續航力，減少對供應基地的依賴，更好地滿足海上作戰要求。軍用艦船核動力主要包括潛艇核動力、航空母艦核動力和其他水面艦船核動力。其中潛艇核動力應用最為廣泛，因為核裂變不需要氧氣，可保證潛艇水下長時間持續航行或隱蔽，從而擴大其活動範圍，提高其生存能力。航空母艦和巡洋艦裝備核動力後，也顯著提高了海上續航力和遠洋作戰能力。

艦船核動力與核電站核動力在原理和系統結構上類似，其裝置由核反應堆、一回路系統、二回路系統及相關的輔助系統組成。核反應堆通過控制系統維持堆芯自持鏈式裂變反應，產生熱能。一回路系統中冷卻劑流經反應堆堆芯，將堆芯熱量導出。二回路系統通過蒸汽發生器將一回路冷卻劑帶出的熱量用於加熱二回路給水，使之變成蒸汽，以驅動汽輪機帶動螺旋槳產生推力，驅動汽輪發電機組產生電力。正常情況下二回路系統不帶放射性，但一回路系統的設備和冷卻劑有較強的放射性。相關輔助系統為反應堆正常運行、事故工況安全和維修等提供保障條件。

艦船核動力與核電站核動力在性能要求上差別較大。核電站只要求能安全、經濟地發電，其反應堆單堆熱功率一般在3000兆瓦左右，堆芯功率密度相對較高，核燃料組件換料週期約為12～18個月，反應堆及主要設備壽期可達40～60年。核電站對設備的重量、重心、尺度以及佈置所佔空間無嚴格要求，維修空間寬鬆，但對廠址、設備和系統有抗震要求。軍用艦船核動力裝置的設計、建造和使用要滿足海洋作戰環境和艦船戰術技術性能指標的要求，對其系統和設備的安全性、可靠性、維修性和抗衝擊性要求高。艦船核動力的反應堆單堆熱功率一般較小（為數十至數百兆瓦），堆芯功率密度設計得稍低，以利於安全、可靠運行；要求堆芯壽命較長，甚至與艦艇同壽命，以減少複雜的換料程序。這些都對堆芯設計和燃料組件提出了很高的要求。設備和系統佈置在空間有限的艙室內，對設備的重量、重心、尺度和佈置所佔空間有嚴格的要求。此外，潛艇核動力系統還要求有較高的自然循環能力。

按核反應堆冷卻劑類型可分為壓水堆核動力和液態金屬冷卻反應堆核動力。美國早期曾研製成功液態金屬鈉冷卻反應堆，並裝備了“海狼”級核潛艇；俄羅斯也曾成功地研製了以鉛-鉍合金為冷卻劑的液態金屬反應堆，並裝備了7艘核潛艇；但均因技術和運行方面存在較多問題而未被廣泛採用。各國採用的主要核動力堆型都是壓水堆。

按驅動方式可分為蒸汽驅動和電力驅動。蒸汽驅動是由蒸汽發生器產生的蒸汽驅動汽輪機，汽輪機帶動減速齒輪，再經軸系驅動螺旋槳或泵噴推進裝置，使艦船航行。電力驅動是汽輪機驅動交流發電機，經變流後驅動直流電動機，再經軸系驅動螺旋槳或用電力直接驅動泵噴推進裝置，使艦船航行。此外，美國與俄羅斯正在開發磁流體推進技術，它利用在流入磁流體推進器的海水中形成的電流與外加強磁場間的相互作用力使海水運動，產生推進動力，從而消除減速齒輪箱和螺旋槳等產生的機械噪聲。

按設備佈置和系統簡化程度可分為：①分散型佈置核動力。將反應堆、蒸汽發生器、反應堆冷卻劑泵（簡稱主泵）、穩壓器等主要設備分散佈置在堆艙中，並用管道和閥門將它們連接起來，該佈置形式便於設備佈置和維護檢修，適用於不同類型艦船，特別是艇殼直徑較小的艦船，但是佔用艙室尺度較大。②緊湊型佈置核動力。將蒸汽發生器和主泵用短管道與反應堆壓力容器連接，取消主管道和主閘閥，使結構緊湊，系統簡化，相應減小佔用艙室尺度，提高安全性和自然循環能力。③一體化型佈置核動力。把蒸汽發生器佈置在反應堆壓力容器內，使系統進一步簡化，結構更緊湊，重量更輕，體積更小，安全性和自然循環能力更高。但維護和檢修難度將增加。

軍用艦船核動力系統複雜，技術密集。其研製和發展中的關鍵技術主要有：艦船用反應堆設計、燃料組件、專用設備和材料研製、試驗驗證等。

研製過程主要包括：①方案論證。根據戰術技術指標，進行核動力系統概念和可行性研究，完成初步方案論證。初步方案包括核動力系統和設備的佈置及結構形式、性能指標、主參數、關鍵技術及解決途徑、技術可行性、試驗項目、主要材料和設備的選定、設計階段劃分、技術風險分析、研製週期和經費等內容。②設計研究。初步方案經過評價，確定研製方案，開展型號設計。設計一般包括方案設計、初步設計、技術設計和施工設計。設計內容主要包括反應堆堆芯、核和熱工水力、結構、輻射屏蔽、力學、佈置等方面，以及燃料組件、蒸汽發生器、控制棒驅動機構、主泵等主要設備和儀表控制系統等設計。完成初步設計後提出試驗任務書和設備技術規格書。③試驗驗證。在型號設計的同時開展各種堆內、堆外設計驗證試驗，包括關鍵技術的驗證，以及材料、工藝、樣機和設備等試驗。具體試驗內容通常有：熱工水力、零功率物理、水化學、衝擊振動、流致振動、瞬態特性、水力模擬、設備和材料考驗、燃料組件輻照等試驗，以及系統綜合試驗，並將得到的試驗結果用於驗證設計和確定技術狀態。為此，需要建造一批單項試驗和系統集成綜合試驗的試驗設施。④設備和材料研製。為使核動力系統達到設計性能和戰術技術指標，要對核燃料組件及相關組件、反應堆壓力容器、蒸汽發生器、主泵、控制棒驅動機構、穩壓器、主管道等主要設備，以及耐高温高壓、抗輻照和耐腐蝕的反應堆結構材料和燃料組件相關材料進行研製。⑤陸上模式堆試驗。對新型或技術上有重大變化的核動力系統，在完成設計研究和單項試驗及系統綜合性能試驗驗證之後，還必須通過1∶1陸上模式堆的設計、建造和運行，進一步驗證其設計和安全可靠性，考驗各系統和設備性能，積累設計、建造和運行經驗，減少裝艇技術風險。陸上模式堆還可用於培訓核動力系統操縱人員。⑥艦艇試驗。核動力系統裝艇後，還要經過繫泊試驗和航行試驗，驗證其海上運行的性能，為日後的在役運行提供經驗。

空間核動力具有重要的軍用和民用前景，可以滿足高功率通信衞星、空間武器平台、軍事偵察、預警、空間遙感、深空探測及空間飛行器推進等領域對電源和推進動力的需求。

空間核動力按用途可分為空間核電源和核推進動力。空間核電源將核裂變或核衰變生成的熱能轉換為電能。核推進動力則將上述熱能直接用於加熱工作介質，通過高速噴射產生推力（稱為核熱推進）；或是將熱能變為電能，再用電能加速帶電粒子，形成高速噴射產生推力（稱為核電推進）。空間核電源具有結構緊湊、運行可靠、使用壽命長、環境適應性好和易維護等特點，技術已比較成熟，並得到成功應用；核推進動力技術尚處於研究階段。空間核動力按能量來源可分為利用核反應堆裂變能的空間核電源、核動力和利用放射性同位素核衰變能的空間核電源。空間核動力按能量轉換方式又可分為靜態轉換空間核動力和動態轉換空間核動力兩類。靜態轉換通過熱離子轉換或熱電偶轉換（又稱温差轉換）方式將熱能直接轉換為電能。動態轉換通過熱機循環先將熱能變為機械能，再由機械能轉變為電能。靜態轉換技術比較成熟，已得到成功應用，但轉換效率只有3%～5%；動態轉換的轉換效率較高，但技術難度大。

艦船核動力的研製和應用始於20世紀50年代初期。在軍事需求的驅動下，經過50多年的研究、改進，反應堆、核動力總體、系統簡化、安全性、可靠性等方面的技術都趨於成熟，已裝備了大批核潛艇、核動力航空母艦和核動力巡洋艦。

就潛艇核動力總體技術水平而言，美國保持着世界領先地位，其潛艇核動力已有5400多堆·年的運行史，安全性、可靠性、可維修性、自動化水平、模塊化設計、系統簡化及堆芯壽期等主要技術指標都達到較高水平。蘇聯潛艇核動力雖然起步稍晚，但發展速度很快，已發展了四代潛艇反應堆技術，研製了獨具特色的高效直流蒸汽發生器。英國潛艇核動力早期主要採用美國技術，在此基礎上建立了自己的研發體系。法國用較長時間獨立研發潛艇核動力技術，從起初的分散型佈置到後來的一體化型佈置，形成了自己的發展路線。

美國、蘇聯/俄羅斯、英國和法國核動力反應堆的共同特點是：①主要堆型均為壓水堆。美、英兩國主要採用單艇單堆、板型燃料元件堆芯和分散型佈置；法國主要採用單艇單堆、板型燃料元件堆芯，並從第二代開始採用一體化型佈置；蘇聯大都為單艇雙堆，主要採用棒狀燃料元件堆芯和緊湊型佈置。②優化燃料組件，改善堆芯性能。單堆熱功率從60兆瓦增至230兆瓦堆芯，壽期接近與艇同壽命，有較好的安全性。③反應堆及主要設備體積、重量逐步減小，系統儘量簡化。採用模塊化設計建造，可靠性和維修性得到改善。自動化水平較高，抗衝擊能力強。④重視蒸汽發生器、主泵、控制棒驅動機構、儀控系統等主設備性能和材料的改進。⑤逐步提高自然循環能力，有合理、可靠的安全系統和設備。⑥新型潛艇核動力技術都經過充分的堆內、堆外試驗和陸上模式堆試驗驗證，必要時還要建造試驗艇，以減少技術風險。⑦建立了標準型核動力和配套的研製生產體系。

1954年，美國海軍曾設想用一種統一的核動力裝置裝備核潛艇、航空母艦和巡洋艦。由於三種艦船對核動力的要求不同，這種想法在當時的技術條件下很難實現。因此，只能在潛艇核動力基礎上研製適用於航空母艦的核動力。由於當時缺乏足夠的經驗和能力研製艦用大功率反應堆，針對“企業”號航空母艦對核動力的要求，採用一艦8堆的方案，並研製了單堆熱功率為150兆瓦的反應堆。1958年，美國建造了陸上模式堆A1W，並用8座與A1W相同設計的A2W分散型佈置壓水堆裝備了“企業”號航空母艦。在A1W和A2W反應堆設計、建造和運行經驗基礎上，從1968年開始，西屋電氣公司和貝梯斯實驗室研製了單堆功率為500～600兆瓦的A4W/A1G反應堆。1975～2003年，用A4W/A1G反應堆雙堆配置裝備了9艘“尼米茲”級核動力航空母艦。

法國核動力航空母艦選用了單堆熱功率為150兆瓦的一體化型佈置的K-150壓水堆，雙堆配置。在研製過程中，充分利用潛艇陸上模式堆和相關試驗設施對設計進行改進驗證。該型核動力能同時適應航空母艦和潛艇的要求，已裝備了“戴高樂”號航空母艦和“凱旋”級彈道導彈核潛艇。

巡洋艦核動力也是在潛艇核動力基礎上發展起來的。美國為首艘巡洋艦“長灘”號研製的C1W反應堆是一種過渡型號，許多技術源於用於潛艇動力的S5W反應堆，但將單堆熱功率增大至200兆瓦。在研製C1W反應堆同時，開始了巡洋艦用標準核動力的研製工作。1957年，美國建造了D1G陸上模式堆。1962～1980年，美國用與D1G相同設計的D2G分散型壓水堆裝備了8艘巡洋艦。蘇聯用兩座300兆瓦緊湊型壓水堆裝備了“彼得大帝”號巡洋艦。

20世紀50年代美國和蘇聯就開始研製放射性同位素電源和空間核反應堆電源。1956年，美國製定了SNAP（核輔助動力系統）計劃，目標是為軍用衞星等空間平台的應用系統提供放射性同位素電源和空間核反應堆電源。1961年6月，美國研製的第一個放射性同位素電源SNAP-3B7成功應用於“子午儀”4A導航衞星上。1965年，美國又成功地將空間核反應堆電源SNAP-10A送上太空。它是世界上第一個空間核反應堆電源，其電功率為500瓦，在太空運行了43天，因衞星上電子器件故障而停止運行。蘇聯/俄羅斯成功地研發了兩種能量轉換方式的4個型號的空間核反應堆電源系統。其中，Romashka型和Buk型電源系統採用小型快中子堆和熱電偶能量轉換系統，電功率分別為500～800瓦和3千瓦，具有結構簡單、體積緊湊、使用可靠等特點。Romashka於1967年12月成功升空。Buk型電源已成功應用於宇宙飛船的海洋觀測雷達。TOPAZ系列的核反應堆電源系統採用超熱中子堆和熱離子能量轉換方式。1987年2月，兩個TOPAZⅠ型核反應堆電源系統在宇宙飛船上成功地進行了試驗。此後，又研製成功TOPAZⅡ型系統，在總體設計、熱離子燃料元件和壽命等方面都比TOPAZⅠ有較大提高。此外，美國和俄羅斯還在合作研發功率為40千瓦的空間核電源系統。

在空間核推進動力方面，美國和蘇聯對核熱推進技術都做了大量的研究和地面試驗工作，取得了不小的進展。1968年，美國研製的Phoebus-2A空間反應堆進行了地面試驗，在4100兆瓦的功率下運行了12分鐘，產生推力超過100噸。蘇聯建造的核火箭發動機也通過了系列地面試驗。但總的看來，這方面的技術還處於研究階段，離實際應用的要求還有很大的距離。

在世界政治和軍事形勢迅速變化的環境下，美、俄、英、法等國將繼續研製更為先進的核動力，建造新型的核動力艦船以彌補老、舊裝備的退役，同時用新技術對現役核動力艦船進行升級改造。

未來一個時期，世界艦船核動力技術發展趨勢是：①研製新型、高性能、大功率大中型水面艦船用反應堆，如美國正在研製的用於新型航空母艦核動力的反應堆。②研製長壽期堆芯，同時簡化系統，升級設備，提高反應堆安全性和經濟性，如S9G反應堆的改進型。③提高反應堆系統自然循環能力，研究全自然循環反應堆技術。④實施模塊化設計建造，改善振動和噪聲性能。⑤研發新概念核動力技術。

20世紀90年代後，在明確的軍事需求驅動下，美、俄兩國被擱置的空間核動力研發計劃重新啓動。此外，法國、德國和日本等國也都在積極發展本國的空間核動力技術，並積極尋求國際合作的機會。空間核動力的發展趨勢是：①大功率（數十千瓦至兆瓦）。②長壽命（10～15年）。③提高熱電轉換效率。④提高安全性。⑤發展電源/推進相結合的雙模式核動力系統。

發佈者：中國軍事百科全書編審室 ^[1]