船舶核动力装置

1、船舶核动力装置Marine Nuclear Power Plant,核科学与技术学院 （V2011.02.27）,MNPP-L01,2020年7月5日星期日,核动力装置,2,教师信息,主讲教师：王贺 1998年至2010年，哈尔滨工程大学本、硕、博 2007年至2008年，日本东京大学访问学者 研究方向：概率安全分析方法、核电在线风险监测方法 承担：海军项目、863项目等 工作单位：核科学与技术学院核动力仿真研究中心 办公室地址：31#楼4层442室 Tel：82588302Email ： 网站： ,2020年7月5日星期日,核动力装置,3,教学要求,教学方式：课堂讲

2、授课堂讨论 考核方式：闭卷考试 上课避免迟到，课间经允许后可离开 谁最后走，谁关灯 手机响、接手机、用手机看小说，发现一次擦黑板一周,2020年7月5日星期日,核动力装置,4,学习要点,1 系统的功用或作用 为什么设置该系统？ 该系统在核动力装置中承担什么任务？ 2 系统的基本组成 系统中包括哪些主要设备？ 各设备如何组成一个完整系统？ 3 系统的运行原理 系统是如何实现其功能的？ 系统基本运行与控制原理,2020年7月5日星期日,核动力装置,5,1 核动力装置概述,1.1 核动力装置含义及其特点 1.2 核动力装置的组成及原理,2020年7月5日星期日,核动力装置,6,1.1 核动力装置含义

3、及其特点,1.1.1 船舶动力装置类型 1.1.2 船用核动力装置含义 1.1.3 核能的特点 1.1.4 核能用作船舶动力的优越性,2020年7月5日星期日,核动力装置,7,1.1.1 船舶动力装置类型,船舶动力装置 为船舶提供推进动力和其他所需能源的机械、设备和系统的总称，包括主动力装置和辅助动力装置两部分。 按燃料类型划分为两大类： 常规动力装置 核动力装置,2020年7月5日星期日,核动力装置,8,燃料为煤或油，由锅炉提供蒸汽 蒸汽驱动汽轮机旋转，将蒸汽的热能转换为机械能 汽轮机驱动发电机发电，或通过减速器驱动螺旋桨,1蒸汽动力装置的工作原理,1900年，英国海军“蝮蛇”号鱼雷驱逐舰在

4、世界上首次使用蒸汽轮机推进船舶,2020年7月5日星期日,核动力装置,9,蒸汽轮机, 凝汽式汽轮机,2020年7月5日星期日,核动力装置,10,汽轮机单机功率大 机组振动、噪声较小 磨损部件少、可靠性高 汽轮机结构简单、紧凑，便于运行、管理和维修 可使用劣质燃油,蒸汽动力装置的特点,系统复杂，重量尺寸大，附属设备多 初建费用高，热效率低 机动性差,2020年7月5日星期日,核动力装置,11,2柴油机的工作原理,进入气缸内的新鲜空气被活塞压缩到能使柴油自行燃烧的温度时，用高压油泵及油枪将燃油引入燃烧室并喷射成雾状与压缩空气混合，同时自行点火。燃烧后产生的高温、高压燃气在气缸内膨胀作功，推动活塞运

5、动，通过曲柄连杆机构将机械功从曲轴输出，带动螺旋桨工作。,1895年，德国人狄赛尔发明了柴油机，于20世纪初逐步用于舰艇，迄今已经成为船舶上用得较为普遍的一种动力装置。,2020年7月5日星期日,核动力装置,12,柴油机装置的特点, 船用大功率低速柴油机,热效率高 辅助设备和机械较少 具有良好的机动性 易实现远距离操纵和自动控制,柴油机重量和尺寸按功率比例增加很快，因而单机功率受到限制 柴油机运行时振动、噪声较大 中、高速柴油机的运动部件磨损比较严重，整机寿命短 柴油机在低转速时稳定性差,2020年7月5日星期日,核动力装置,13,3燃气轮机的工作原理,将燃气轮机的压气机送出的压缩空气在燃烧室

6、中与燃油混合燃烧，产生高温、高压燃气冲击动力涡轮作功，动力涡轮通过减速齿轮箱等传动设备驱动螺旋桨。,舰用燃气轮机是在航空燃气轮机应用以后发展起来的新型动力装置。20世纪40年代，国外开始研究舰用燃气轮机，1947年，英国海军在炮艇上首次装用燃气轮机动力装置。,2020年7月5日星期日,核动力装置,14,舰用燃气轮机的应用,112舰使用的燃机,舰用燃气轮机,2020年7月5日星期日,核动力装置,15,舰用燃气轮机的特点,燃气轮机动力装置具有功率大、重量尺寸小、机动性好等优点 机组结构较复杂，进、排气口附近噪声大，必须采取消声措施 由于燃气的高温，叶片使用的合金材料价格昂贵，工作可靠性差，寿命短

7、耗油率高 进、排气管道尺寸较大，给机舱布置带来困难,20世纪70年代以后，舰用燃气轮机进入迅速发展时期，装舰使用范围已由快艇发展到护卫舰、导弹驱逐舰、巡洋舰、直升机母舰、轻型航空母舰等大、中型水面舰艇，全世界已有30多个国家海军使用燃气轮机，其中俄罗斯的舰用燃气轮机的总装机功率居世界前列。,2020年7月5日星期日,核动力装置,16,1.1.2 船用核动力装置含义,船舶核动力装置以原子核裂变能作为推进动力，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所需的结构、系统和部件。 将核燃料裂变产生的能量传输、分配并转换成推进船舶的动

8、力,核能,热能,热能,机械能,电能,推进系统,动力设备,一回路,二回路,2020年7月5日星期日,核动力装置,17,潜艇核动力装置示意图,2020年7月5日星期日,核动力装置,18,船用核动力装置发展历程, 世界上第一艘核潜艇“鹦鹉螺”号,1954年1月，世界上第一艘核潜艇，也是美国海军 第一艘核动力舰艇 “鹦鹉螺”号下水,美国、苏联/俄罗斯、英国、法国、中国已经建造了500多艘核潜艇，至2002年，世界上仍然在役的核潜艇有150多艘 印度核潜艇,海曼乔治里科弗,2020年7月5日星期日,核动力装置,19,装备核动力舰船的国家,2020年7月5日星期日,核动力装置,20,船舶核动力装置的应用,

9、2020年7月5日星期日,核动力装置,21,1.1.3 核能的特点,核燃料具有极高的能量密度 核裂变可以在任何功率水平下达到临界（功率大） 核裂变反应不需要氧气 核裂变过程伴随着大量放射性物质的产生,2020年7月5日星期日,核动力装置,22,1kg铀-235完全裂变19,600,000,000kcal 1kg标准煤完全燃烧 7,000kcal 1L重油完全燃烧 9,900kcal 1m3天然气完全燃烧 9,800kcal 1kg铀-235完全裂变放出的热量相当于2700吨标准煤完全燃烧放出的热量 同一质量下，核能比化学能大数百万倍,（1）核燃料具有极高的能量密度,2020年7月5日星期日,核

10、动力装置,23,核动力舰船不需要携带大量的燃料，在反应堆寿期内不需要外界补充燃料 核动力舰船可携带更多的武器装备和其他物资，提高战斗力和自持力 可大大减少辅助舰船的数量，提高整个舰队的航速和续航力,（1）燃料重量占全船载重量的比例较小,“武汉”号，排水量7500吨，最高航速32节，20节时续航距离6000多公里。,“微山湖”补给舰，排水量接近3万吨,2020年7月5日星期日,核动力装置,24,（2）核燃料可以在任意功率水平下达到临界,2020年7月5日星期日,核动力装置,25,概念1：续航力是舰艇装载一次燃料所能持续航行的距离 概念2：舰船推进功率与航速的立方成正比 核潜艇：长寿命堆芯可用10

11、年以上，续航力超过40万海里，潜航距离占总航程的95%以上 核动力装置的高功率可使核潜艇的水下航速、核动力航空母舰的航速达到30节（美国“海狼”级核潜艇的最高航速35节） 常规潜艇：航速10节时，续航力达到1万海里，只能连续航行610小时；水下最大航速为1525节,（2）提供较大的续航力和功率,2020年7月5日星期日,核动力装置,26,概念1：续航力是舰艇装载一次燃料所能持续航行的距离 概念2：舰船推进功率与航速的立方成正比 核潜艇：长寿命堆芯可用10年以上，续航力超过40万海里，潜航距离占总航程的95%以上 核动力装置的高功率可使核潜艇的水下航速、核动力航空母舰的航速达到30节（美国“海狼

12、”级核潜艇的最高航速35节）,（2）提供较大的续航力和功率,世界上第一艘核动力航空母舰，1964年进行了史无前例的环球航行,途中无需加油和再补给,历时64天,总航程3万多海里。,2020年7月5日星期日,核动力装置,27,（3）核裂变反应不需要氧气,2020年7月5日星期日,核动力装置,28,核潜艇无需定期浮出水面用柴油发电机给蓄电池充电，可长期潜航 水面舰船不需要设置进气道和烟囱，减少上层建筑，免受烟气的腐蚀和热气流的影响，降低了红外特征 大型水面舰船如航空母舰不需要布置烟囱，上层建筑布置更为灵活,（3）提高舰船的隐蔽性,2020年7月5日星期日,核动力装置,29,（4）核裂变过程伴随着放射

13、性物质的产生,核裂变反应会产生大量的放射性物质； 核动力装置具有潜在的危险性； 安注系统 危机冷却系统 全寿期都不用一次 需要采取严格的辐射防护措施； 运行管理要求很高。,2020年7月5日星期日,核动力装置,30,1.1.4 核能用作船舶动力的优越性,燃料重量占全船载重量的比例较小; 提供较大的续航力和推进功率; 提高潜艇的隐蔽性。,2020年7月5日星期日,核动力装置,31,1.2 核动力装置的组成及原理,1.2.1 船用核动力装置的基本组成 1.2.2 船用动力堆选型,2020年7月5日星期日,核动力装置,32,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

14、推进,压水堆,1.2.1 船用核动力装置的基本组成,液态金属冷却 反应堆,2020年7月5日星期日,核动力装置,33,压水堆核动力装置原理流程,2020年7月5日星期日,核动力装置,34,一回路系统,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年7月5日星期日,核动力装置,35,二回路系统,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年7月5日星期日,核动力装置,36,二回路主机配置方案,2020年7月5日星期日,核动力装置,37,船舶推进方式,2020年7月5日星期日,核动力装置,38,1.2.2 船用

15、动力堆选型,热中子堆,快中子堆,2020年7月5日星期日,核动力装置,39,核反应堆的类型,按引起裂变的中子能量划分： 快中子堆、热中子堆 按慢化剂的类型划分： 轻水堆、重水堆、石墨堆 按冷却剂的类型划分： 水冷堆压水堆、沸水堆、重水堆 气冷堆高温气冷堆 液态金属冷却堆钠冷快中子堆 有机液冷堆,2020年7月5日星期日,核动力装置,40,（1）压水堆的特点,慢化剂采用轻水，冷却剂采用轻水，冷却剂在堆芯不沸腾 采用U-235富集度为34%的UO2陶瓷燃料，在舰船压水堆上由于要提高堆芯寿命，燃料的富集度一般都很高 一、二回路之间相互隔离，二回路不需要屏蔽 结构紧凑、体积小、功率密度高、平均燃耗较深

16、，技术比较成熟 采用多道屏障防止放射性物质外泄 反应堆具有自稳自调特性，安全性较好,2020年7月5日星期日,核动力装置,41,（2）沸水堆的特点,沸水堆以沸腾轻水为慢化剂和冷却剂，在反应堆压力容器内直接产生饱和蒸汽； 沸水堆与压水堆同属轻水堆，都具有结构紧凑、安全可靠、建造费用低和负荷跟随能力强等优点，使用低富集铀作燃料； 不需要蒸汽发生器，运行参数较压水堆低； 具有很强的自然循环能力，一般可达4050%FP，甚至100%FP。,2020年7月5日星期日,核动力装置,42,沸水堆的不足,压力容器底部开有大量孔洞，对压力容器的强度有不利影响； 堆内结构复杂，同时由于水汽对中子慢化能力减弱，所需

17、要装载的燃料更多，相同功率下体积要大于压水堆；,放射性物质会随着蒸汽进入汽轮机等设备，需要屏蔽的体积和质量大大增加，增加了维护难度。,2020年7月5日星期日,核动力装置,43,（3）重水堆的特点,采用重水作慢化剂，可以直接利用天然铀作为核燃料； 可用轻水或重水作冷却剂；,分压力容器式和压力管式两类； 是发展较早的堆型，有各种类别，但已实现工业规模推广的只有加拿大发展起来的坎杜型压力管式重水堆。,2020年7月5日星期日,核动力装置,44,重水堆的不足,堆芯体积比相同功率的压水堆大10倍左右，不适合舰船装备 由于增加了慢化剂系统和重水系统，整个系统的复杂性大大增加，重水堆的系统数目是压水堆的2

18、倍左右 重水系统的胀接接头容易发生泄漏，影响正常运行。为此，一回路的冷却剂压力比压水堆低30左右，造成二回路的蒸汽运行压力较低,2020年7月5日星期日,核动力装置,45,（4）高温气冷堆的特点,采用石墨作慢化剂，气体作冷却剂； 高温气冷堆具有效率高、安全性好等突出优点，由于采用了密度和比热很小的气体作为工质，所以功率密度较小，堆芯体积较大； 这种堆型对管路材料的耐高温性和密封性都提出了很高的要求，目前对气体工质的热工性质也需要进一步研究。 气冷堆一直没有装备舰艇的经历，在短时期内也没有这个可能。,2020年7月5日星期日,核动力装置,46,高温气冷堆核动力装置系统简图,2020年7月5日星期

19、日,核动力装置,47,气冷堆的研究和应用情况,在发展潜艇核动力装置的初期，曾设想采用气冷堆，最终因其装置体积庞大而未被采用。 后来又设想采用高温氦气冷却反应堆的氦气直接驱动燃气轮机，因在当时的技术条件下制造不出这种涡轮机而放弃，因而仍采用了压水堆。 高温气冷堆虽然效率高、安全性好，但功率密度较小，堆芯体积较大，对结构材料的耐高温性、密封性都有很高要求，气体工质的性质也需进一步研究。,2020年7月5日星期日,核动力装置,48,（5）液态金属冷却堆的特点,采用具有很高传热率的液态钾-钠合金或者铅-铋合金作为冷却剂，二回路采用水作循环工质，可以获得很高的出口温度和效率； 例如，美国的S2G型液态金属冷却堆的效率达到22，而同期的压水堆只有17左右。 目前研究的快中子增殖堆均采用液态金属作冷却剂，而没有慢化剂； 用液态金属作冷却剂可大大提高一回路的温度，而系统压力只有0.50.7MPa，既提高了装置的经济性，由于一回路压力降低，核动力装置也更加安全可靠。,2020年7月5日星期日,核动力装置,49,快堆核动力装置的两种形式, 回路式快堆系统,池式