核动力船舶压力容器

1、核动力船舶纵览1核动力船舶主要类型将原子核裂变释放的核能转变为船舶螺旋浆推动力的系统和设备系统，简称船舶核动力系统。以核潜艇为例，图 7-1-1、7-1-2 给出了承受压水 PressureWater型的核反响堆(NuclearReactorSteamTurbin速器传动螺旋浆的过程。环系统、二回路管道与循环系统、主蒸汽轮机透平、螺旋桨电动机、螺旋桨推动器及其他关心系统组成。电池利用艇上发电机充电系统不断充电，而发电机是用另一台关心汽轮机驱动的。稳压器 2-蒸汽发生器 3-主蒸汽阀 4-主汽轮机 5-减速器 6-离合器 7-主电动机 8-把握棒 9-辅汽轮机10-11-12-13-14-电动机

2、 15-16-17-冷凝器12398泵45671014151611121318177-1-1 压水堆型核推动系统的构成示意图12核屏蔽一回路管457128压力壳96图7-1-2 核推动装置艇内布置示意图轴承2 战时的更大程度上的动作，这样一来，核反响堆的选型，要以使用安全性为主。压水核反响堆内的冷却剂冷却水的温度虽然可达 330，但其工作压力为 16Mpa左右的高压，在如此高的压力下，反响堆内的冷却水不会沸腾，不会沸腾的冷却水就不会 产生气体，没有气体产生的一回路冷却水，也就不会因船舶的摇摆和震惊给一回路的构造 带来高出设计的额外压力而损坏；还有，压水核反响堆的一回路系统与二回路系统之间，发生

3、关连的设备是蒸汽发生器， 在蒸汽发生器中，有核辐射的一回路系统冷却水与二回路系统的工质水并不直接接触， 中间的隔离层就是蒸汽发生器的一回路系统热交换管束，因此，这相对增加了使用安全性： 整个二回路系统主汽轮机、冷凝器和二回路系统管道等 屏蔽的状况下运行，这就可简化核动力船舶轮机舱的设计图7-1-、图7-1-。反响堆轮机舱图 7-1-3 核潜艇轮机舱的位轮机舱核屏蔽反响堆舱7-1-4 核潜艇Ohio 的轮机舱3核反响堆舱7-1-5 Nautilus号 SSN-571核动力潜艇从全世界状况看，核动力船舶主要集中在军用舰艇的开发应用方面，其中，核动力潜艇的数量占第一位，截止 2022 年的统计，仅美

4、国和俄罗斯两家就拥有400 余艘；而冷战核军备竞赛间期，两家的核潜800 多艘。图7-1-6 航行中的Nautilus核动力攻击潜艇SSN、SSGN核动力攻击型潜艇SSN主要以应付敌方水面舰船和潜艇，任务是实施战役战术攻击80NautilusSSN-571图7-1-、7-1-、7-1-，就是一艘攻击潜艇。1-艏部防波板；2-水声站导流罩；3-放射器；4-艏水平舵；5-备用；6-设备室；7-艇员居住室；8-氧气瓶；9-原子化验室；10-厨16-艇员餐室；17-艇操纵部位；18-海图室；19-总指挥室；20-舰桥；21-潜望镜；22-压载水舱；23-无线电技术观看部门的关心机械；4-艏舱；-居住舱

5、和蓄电池舱；-中心操纵部位；-反响堆舱；-透平舱；-居住舱；-艉舱； 24-无线电天线可升降式；25-无线电天线可折倒式；26-雷达天线；27-通气管装置空气筒； 30-雷达部位；31-水声部位；32-反响堆；33-第一层防护装置；34；35-把握棒；36-一回路泵；37-蒸汽发生器；38-蒸汽发生器部件；39-柴油机排气消声器；40-柴油机发电机；41-空气调整装置；4243-通风管路；44-主蒸汽管路；45-高压透平；46-主冷凝器；47-低压透平；48-减压器；49-润滑油；50-冷凝泵；51-推动电动机；52-艇员餐室和居住室；53-推动舱隧、贮藏室；5455-垂直稳定器；56-垂直舵

6、；57-艉水平舵；58-螺旋浆；7-1-7 美第一艘核动力潜艇鹦鹉螺号Nautilus的总布置图能放射巡航的，则称为巡航核潜艇SSGN度误差仅为数十米。因此，是一种打击大型航母编队的致命武器。俄罗斯的奥斯卡(Oscar)级核潜艇是一种浩大的艇7-1-87-1-9就属于该级别、该艇因事故漂浮于巴伦支海而有名。前苏联海军把攻击美国海军的航母潜艇可用多可与远程海上轰炸机和水面舰艇协图7-1-8 俄罗斯库尔斯克Kursk号核潜艇同作战以对航母作战编队实施强力4m图7-1-；构造性能指标：耐压壳体：变直径圆筒形构造，中部最大直径为8.5m； 艇长吃水：154 m9m；宽度：18.2m；动力装置：2 ok

7、-650b 型压水堆；2 台蒸汽轮机；双轴驱动；2 7 叶固定螺距螺旋桨；5(1)(2)变直径的耐压壳舱前逃命口后逃命口(1)巡航放射器；(2) 翻开盖子的放射器(3) 库尔斯克Kursk布置图；(4) 放射器布置图；反舰放射器(3)(4)7-1-9 库尔斯克Kursk巡航发生器的布置图62弹道核潜艇SSBN弹道核潜艇SSBN又称战略核潜艇，其开发目的是以大规模摧毁敌国城市及其它战略设施为目标。例如， 美国“ 俄亥俄 ”OhioSSBN-726级核潜艇就是美国战略核力气的重要组成局部，是其核威慑战略的重要保证之一图7-1-1。一艘“俄亥俄”级核潜艇上携带24 枚“三叉戟 II”型洲际弹道。该型

8、的最大射程在 1.2 万公里以上，命中精度9012颗分288 个分弹头可以在半小时内摧毁对方多个大中型城市或重要的战略目标。构造性能指标：排水量：18750t；全长：170.7m；宽：12.1m；吃水：11.8m；S8G 自然循环压水反响堆；热功率：250MW； 更换核燃料周期：15 年以上；2 台蒸汽轮机；齿轮减速装置；单轴， 7 20 节以上；“俄亥俄”级核潜艇的艇体外形近似于13.3/1。艇体大局部是单壳体构造，占艇体总长的6见图7-1-1；构造与布置：艇体艏艉部是非耐压壳体，中部为耐压壳体。耐压艇体分为四大舱：指挥舱、舱、反响堆舱和主辅机舱。指挥舱分为三层：上层设有指挥室，无线电室和航

9、海仪器室；中层前部为生活舱，后部4 具放射管；舱位于舯部指挥台围壳后面，24 个放射井筒，对称于中心线平行布置。反响堆舱的上部是通道，下部布置反响堆。 该级核潜艇在中低速航行时不使用主循环泵 或主循环泵发生故障时也能导出裂变热，增加了安全性。7在巡航工况时不使用主循环泵 消声材料、机械噪声的隔声减振措施、浮筏减振轮机安装底座和低噪声辅机等，因而辐射噪声低。弹道放射井战略巡航水下放射推出装置艇内甲板与隔舱壁指挥与把握室军官会议室声纳舱导航室无线电舱控制舱计算机房辅机舱1制餐设备舱轮机舱核反响堆艇员舗位与医药存储间7-1-11 Ohio级SSBN-726功能设计布置87-1-12 Typhoon

10、SSBN-941放射井(TyphoonSSBN-941)核潜艇图7-1-127-1-137-1-14，是前苏联最大的弹道潜的潜艇。 台风级核潜艇是典积近乎于是俄亥俄级的两倍，20 个放射管，装载7-1-13 俄台风级 (Typhoon SSBN-941) 核潜艇图7-1-14SSBN-941的剖面图SS-N-20 弹道，其射程到达8300 公里；构造性能指标艇長：171.5m；全寬：24.6m； 水上排水量： 21,500t ；潛航排水量：26,500 t ；极限潜深：300m核动力：2 台ok-650 压水堆；单台功率：190MW；2 台蒸汽轮机；总功率：81600 马力。9核动力航空母舰

11、美国 尼米兹号Nimitz CVN 68航空母舰 美国 企业号Enterprise CVN 65航空母舰图7-1-17Enterprise CVN 65的模航空母舰是一种以舰 载机为主要作战武器的大 型水面舰只。它攻防兼备，作战力量强，能执行多种战役战术任务，因而倍受世界海军的器重。现代核动力航空母舰及舰载机已成为高 技术密集的军事系统工程。不少专家认为，航空母舰已成为一个国家军事、工业、科技水平与综合国力的象 征。美国尼米兹号 Nimitz CVN 6图7-1-1航空母舰 1976 年开头建筑的型核动力航空母舰，至今， 该型航空母舰已建筑10 艘；排水量： 88,000t；总长： 332.8

12、m；水线长： 317.0m；最宽： 76.8 m；水线宽： 40.8 m；核动力：2A4Ws44总功率： 260,000 马力企业号Enterprise CVN 65航母图7-1-16、图7-1-17是美国第一艘核动力航空母舰；排水量：93,500t ；总长：342.3 m；水线宽：40.5 m；核动力：8 x A2W压水堆；4台汽轮机； 4轴推动；280,000 shp； 速度：30节107-1-18 CVN-75 TRUMAN蒸汽弹射系统船上生活系统核动力系统一、二回路 CNV-75压力容器应用场合CVN-75TRUMAN是美国尼米兹级10图7-1-17-1-11996 2022CVN-6

13、8图 7-1-20、图7-1-21，是美国的一艘退役常规动力航母的轮机舱。从轮机舱的这些照片可 机壳箱体与附属设备都属于压力容器7-1-19 所示的美CNV-75 核动力航空母舰，在船体的中部舱位部满了两套核动力系统一、二回路的压力容器、船上生活系统压力容器、飞机蒸汽弹射系统压力容器；道系统中包括大量法兰-管连接和管-焊管工艺；117-1-20 常规动力航母轮机舱压力容器焊接构造7-1-21 轮机舱汽轮机与齿轮箱焊接构造12船长：134 m宽：27.6 m排水量：16,000 t7-17 世界第一艘核动力破冰船“列宁”核动力破冰船 7-19 核动力破冰船“Arktika”破冰船是用其船 头部位

14、吃水较浅，从而可冲 到冰面上去，再用船体 重量把下面厚厚的冰层 压为碎块。然后破冰船倒退一段距离，再开足 马力冲上前面的冰层， 如此反复，就开出了 的航道。俄罗斯是唯一拥有核动力破冰船的国家。 1957年，前苏联制造出世界第一艘核动力破冰船“列宁”号图7-1。 “列宁号构造性能指标船长：134 m宽：27.6 m排水量： 16,000 t核动力：3 台 OK-150 型压水堆；单台功率： 90MW；后改为：2台OK-900 型压水堆单台功率170 M；至今，俄罗斯开发出的核动力破 冰船计有：Arktika 号、Sibir号、Rossiya号、Sovjetskij Sojuz 号Yamal号、5

15、0LetPobedy 号Ural号 、Taimyr号；13核动力商船图7-20 美国第一艘核动力商船客货轮Savannah 号轮机舱核一回路7-21 Savannah 号核动力布置轮机舱美国1955年开工、1959下水了世界上第一艘核动力商船“(Savannah”号，见图7-23。Savannah号1962年服役，1972年退役。同型号的核动力商船美国共建筑了4艘；构造性能指标：船长： 181.66m；船宽： 23.77m；排水量： 21840t； 载客： 60 人；乘员：载货力量：14040反响堆功率 70MW；推动：单轴、20300马力；航速：21节；核一回路图7-22Savannah 的

16、核动力系统美国在“萨瓦纳”号核动力商船中，摸索出一整套有关设计、试验、制造、安装直到操作核动力船舶的成功数据和阅历。如设计船用压水堆一回路构造和材料选择阅历； 安装、焊接压水堆压力容器、一回路管路的生产阅历；核动力船舶检测、试验、运行、操作阅历：如核燃料的装添、核燃料的更换、压水堆一回路安全运行、核屏蔽与核辐射 防护的阅历等；这些贵重阅历后来都被用于美国海军军用舰艇主要是核潜艇和航空母舰的开发和应用，为核动力船舶安全运行奠定了根底。142一屏蔽二屏蔽、一屏蔽二屏蔽、 Tireless)反响堆系统的安装布置图横剖面1一回路构造系统的小型化设计要求与陆基核动力一回路系统相比，对船用压水堆一回路构造

17、，要求集中、紧凑。例如对一艘大、中型核潜艇来说，艇体耐压壳5-245-25直径约为 810m，一回路的主要设备要求只能布置在直径有限的圆形耐压壳体内。因此，设计艇用反响堆和蒸发器等主要设备时，应依据潜艇特点，降低高度并充分利用空间， 以使整个核动力系统的管路紧凑。集中紧凑也利于核屏蔽构造的设计。一屏蔽二屏蔽7456mm10402mm图5-25OK-150 型船用核反响堆俄一回路的安装布置图纵剖面1.反响堆2. 蒸汽发生器. 3. 主循环泵. 4. 把握棒驱动机构5. 过滤器. 6. 冷凝器.15对空间相对较大的水面舰船来说，例如核动力商船、航空母舰、破冰船般不超过1213m，因此，也要求一回路

18、系统的小型化设计。例如，图 5-26是核动力商船Savannah号12m的椭圆状屏1台压水型核反响堆、2台套蒸汽发生器、1台一回路稳压器、3台一回路主泵和一回路主管道系统；在图5-27中，显示了美国核动力航空母舰CVN-75的浩大动力系统其中包括核动力的一 回路构造、汽轮机、齿轮减速器及飞机弹射所需的蒸汽发生系统等都布置在吃水线以下。把握棒驱动反响堆压力壳汽包共两台舱口稳压器12m共两台图5-26Savannah核动力系统的一回路5-27 CVN-75 航空母舰美核动力布置舰体中部16船用压水堆功率/体积比要求依据美俄两国历来使用船用压水堆的统计，其单台功率范围为：70MW250MW；图5-2

19、8、图5-29给出了两种型号的船用压水堆构造尺寸和性能参数；出水口6.55m堆芯部件11m壁厚 150mm进水口2.25m5-28 Savannah 压水堆压力壳的近似尺寸2m功率 堆芯高度堆芯直径核燃料质量U 富集度5m核燃料组件数核燃料栅格栅格型式 包敷体外经包敷体内经包敷体材料每组件的燃料块数燃料装添管直径装添管堆焊层厚堆焊材料1-冷却水通道2-压力壳3-堆芯热屏蔽4-底板堆焊层与燃料块间隙5-封帽6-进水口7-出水口燃料块直径图5-29 俄OK-150 船用压水堆的构造图核燃料化学成份17与陆基核电用压水堆相比，船用压水堆属于中小功率输出的压水堆，虽说是中小功率， 特别是高度 8台A1

20、W 而俄罗斯的大型的核潜艇往往使用2台180 MW的反响堆。解决“海量”的功率需求和单台体积偏大的冲突，就是是承受一台以上的反响堆，以不增加船舶核动力舱的高度。图5-30是俄反响堆KLT-140剖面图，KLT-1405-31是俄罗斯近年来开发的一种船用反响堆的构造外形和内部构造尺寸的估量；1.5m图5-30反响堆KLT-140俄剖面图5-31 俄罗斯的一种船用反响堆的尺寸2.5m图 5-32 是美西屋公司的船用反响堆的尺寸和外形。4m2.5m5-32 美西屋公司的船用反响堆的尺寸18设计和承造，多由以高压容器制造为特长的专业对口公司担当。如美国，主要由西屋Westinghous和通用Gener

21、ic Electric两家公司承揽全部船用包括核潜艇、核动力航空母舰及其它核动力水面舰船核动力单元局部的工程工程；5-1 俄罗斯核动力破冰船及浮动核电站、海水淡化站一览表船用反响堆型号英文命名热功率汽轮机输出轴马力英文命名5-1 俄罗斯核动力破冰船及浮动核电站、海水淡化站一览表船用反响堆型号英文命名热功率汽轮机输出轴马力英文命名及用堆数量第一代其次代第三代用于浮动核电站及海水淡化站表5-2 几种典型核动力舰船反响堆代表性的核潜艇美国弹道核潜艇 俄亥俄级SSBN Ohio Class941SSBN Typhoon Class (Type 941)俄罗斯 攻击型核潜艇 维克多级SSGNVictor

22、美企业号航母艇用反响堆的型号与核热功率GE PWR S8G美通用第八代250MWOK-6502190MWVM4 型紧凑布置型压水堆装置 2150MW8 A2W压水堆耐压壳构造安全性要求压水堆耐压壳构造是最重要的核辐射屏蔽和堆内高压的承载体，工作温度一般处于300360、工作压力1620 Mpa，考虑出余量，还要考虑到最严峻的可能故障，最终，可能到达56倍于工作压力的耐压壳壁厚设计；除此之外，设计上还要考虑核燃料的第一次装添、核燃料更换、压水堆工作状态的监测、耐压壳制造问题；19一回路管路系统的安全性要求核安全亲热相关。裂纹扩展裂纹边界外表缺陷裂纹部位5-33 Tireless号一回路核泄漏部位

23、5-34 一回路支管焊缝裂纹扩展裂纹是最严峻的焊接质量问 题，假设裂纹消灭在压水堆一回 路管路的某个部位上，那更是十 分严峻的，由于对核动力船舶来 说，一般都不具备在发生核泄漏 状况下，能进展现场修理条件。 例如，2022 年发生在英国Tireless 号核潜艇上的核泄漏事故就是因 5-33、图5-3焊缝上的裂纹扩展而发生的；在早期与近代的核动力潜艇上，也曾发生过因蒸汽发生器的一回路管束的管子裂纹而引泄漏事 故。由于对压水堆型的核动力系统来说，一回路与二回路之间就是靠蒸汽发生器的一回路管束的管子来进展核辐射隔离的，一旦蒸汽发生器的管子有裂纹图5-3到核动力系统的二回路中来，于是造成严峻的事故；

24、陆基核电站也曾发生过类似的事故。图 5-35 早期蒸汽发生器上可能发生的裂纹20子使用材料问题、也有制造、特别是与焊接工艺相关的问题；问题。换句话说，必需从焊接工程的角度动身确保一回路管路系统的安全性；反响堆冷却水牢靠性要求 反响堆，防止堆芯因过热而熔化，否则，那将会发生灾难性后果。为此，压水反响堆都有使5-3， 的流淌；1-1-压水反响堆 2-蒸汽发生器 3-主循环泵 4-紧急冷却泵 5-稳压器 6-过滤器 7-过滤器冷凝器俄罗斯第一代OK-150 型压水堆一回路示意图对一回路核屏蔽系统牢靠性要求反响堆的一回路系统接触却更为接近，因而对核辐射的防护也提出较高要求。核动力船舶设计一般用密封的安全屏蔽层，船用安全屏蔽层包括两到三层：内参加吸取核