核動力船舶壓力容器

1、核動力船舶縱覽1核動力船舶主要類型將原子核裂變釋放的核能轉變?yōu)榇奥菪凉{推動力的系統(tǒng)和設備系統(tǒng)，簡稱船舶核動力系統(tǒng)。以核潛艇為例，圖 7-1-1、7-1-2 給出了承受壓水 PressureWater型的核反響堆(NuclearReactorSteamTurbin速器傳動螺旋漿的過程。環(huán)系統(tǒng)、二回路管道與循環(huán)系統(tǒng)、主蒸汽輪機透平、螺旋槳電動機、螺旋槳推動器及其他關心系統(tǒng)組成。電池利用艇上發(fā)電機充電系統(tǒng)不斷充電，而發(fā)電機是用另一臺關心汽輪機驅動的。穩(wěn)壓器 2-蒸汽發(fā)生器 3-主蒸汽閥 4-主汽輪機 5-減速器 6-離合器 7-主電動機 8-把握棒 9-輔汽輪機10-11-12-13-14-電動機

2、 15-16-17-冷凝器12398泵45671014151611121318177-1-1 壓水堆型核推動系統(tǒng)的構成示意圖12核屏蔽一回路管457128壓力殼96圖7-1-2 核推動裝置艇內布置示意圖軸承2 戰(zhàn)時的更大程度上的動作，這樣一來，核反響堆的選型，要以使用安全性為主。壓水核反響堆內的冷卻劑冷卻水的溫度雖然可達 330，但其工作壓力為 16Mpa左右的高壓，在如此高的壓力下，反響堆內的冷卻水不會沸騰，不會沸騰的冷卻水就不會 產生氣體，沒有氣體產生的一回路冷卻水，也就不會因船舶的搖擺和震驚給一回路的構造 帶來高出設計的額外壓力而損壞；還有，壓水核反響堆的一回路系統(tǒng)與二回路系統(tǒng)之間，發(fā)生

3、關連的設備是蒸汽發(fā)生器， 在蒸汽發(fā)生器中，有核輻射的一回路系統(tǒng)冷卻水與二回路系統(tǒng)的工質水并不直接接觸， 中間的隔離層就是蒸汽發(fā)生器的一回路系統(tǒng)熱交換管束，因此，這相對增加了使用安全性： 整個二回路系統(tǒng)主汽輪機、冷凝器和二回路系統(tǒng)管道等 屏蔽的狀況下運行，這就可簡化核動力船舶輪機艙的設計圖7-1-、圖7-1-。反響堆輪機艙圖 7-1-3 核潛艇輪機艙的位輪機艙核屏蔽反響堆艙7-1-4 核潛艇Ohio 的輪機艙3核反響堆艙7-1-5 Nautilus號 SSN-571核動力潛艇從全世界狀況看，核動力船舶主要集中在軍用艦艇的開發(fā)應用方面，其中，核動力潛艇的數量占第一位，截止 2022 年的統(tǒng)計，僅美

4、國和俄羅斯兩家就擁有400 余艘；而冷戰(zhàn)核軍備競賽間期，兩家的核潛800 多艘。圖7-1-6 航行中的Nautilus核動力攻擊潛艇SSN、SSGN核動力攻擊型潛艇SSN主要以應付敵方水面艦船和潛艇，任務是實施戰(zhàn)役戰(zhàn)術攻擊80NautilusSSN-571圖7-1-、7-1-、7-1-，就是一艘攻擊潛艇。1-艏部防波板；2-水聲站導流罩；3-放射器；4-艏水平舵；5-備用；6-設備室；7-艇員居住室；8-氧氣瓶；9-原子化驗室；10-廚16-艇員餐室；17-艇操縱部位；18-海圖室；19-總指揮室；20-艦橋；21-潛望鏡；22-壓載水艙；23-無線電技術觀看部門的關心機械；4-艏艙；-居住艙

5、和蓄電池艙；-中心操縱部位；-反響堆艙；-透平艙；-居住艙；-艉艙； 24-無線電天線可升降式；25-無線電天線可折倒式；26-雷達天線；27-通氣管裝置空氣筒； 30-雷達部位；31-水聲部位；32-反響堆；33-第一層防護裝置；34；35-把握棒；36-一回路泵；37-蒸汽發(fā)生器；38-蒸汽發(fā)生器部件；39-柴油機排氣消聲器；40-柴油機發(fā)電機；41-空氣調整裝置；4243-通風管路；44-主蒸汽管路；45-高壓透平；46-主冷凝器；47-低壓透平；48-減壓器；49-潤滑油；50-冷凝泵；51-推動電動機；52-艇員餐室和居住室；53-推動艙隧、貯藏室；5455-垂直穩(wěn)定器；56-垂直舵

6、；57-艉水平舵；58-螺旋漿；7-1-7 美第一艘核動力潛艇鸚鵡螺號Nautilus的總布置圖能放射巡航的，則稱為巡航核潛艇SSGN度誤差僅為數十米。因此，是一種打擊大型航母編隊的致命武器。俄羅斯的奧斯卡(Oscar)級核潛艇是一種浩大的艇7-1-87-1-9就屬于該級別、該艇因事故漂浮于巴倫支海而有名。前蘇聯海軍把攻擊美國海軍的航母潛艇可用多可與遠程海上轟炸機和水面艦艇協(xié)圖7-1-8 俄羅斯庫爾斯克Kursk號核潛艇同作戰(zhàn)以對航母作戰(zhàn)編隊實施強力4m圖7-1-；構造性能指標：耐壓殼體：變直徑圓筒形構造，中部最大直徑為8.5m； 艇長吃水：154 m9m；寬度：18.2m；動力裝置：2 ok

7、-650b 型壓水堆；2 臺蒸汽輪機；雙軸驅動；2 7 葉固定螺距螺旋槳；5(1)(2)變直徑的耐壓殼艙前逃命口后逃命口(1)巡航放射器；(2) 翻開蓋子的放射器(3) 庫爾斯克Kursk布置圖；(4) 放射器布置圖；反艦放射器(3)(4)7-1-9 庫爾斯克Kursk巡航發(fā)生器的布置圖62彈道核潛艇SSBN彈道核潛艇SSBN又稱戰(zhàn)略核潛艇，其開發(fā)目的是以大規(guī)模摧毀敵國城市及其它戰(zhàn)略設施為目標。例如， 美國“ 俄亥俄 ”O(jiān)hioSSBN-726級核潛艇就是美國戰(zhàn)略核力氣的重要組成局部，是其核威懾戰(zhàn)略的重要保證之一圖7-1-1。一艘“俄亥俄”級核潛艇上攜帶24 枚“三叉戟 II”型洲際彈道。該型

8、的最大射程在 1.2 萬公里以上，命中精度9012顆分288 個分彈頭可以在半小時內摧毀對方多個大中型城市或重要的戰(zhàn)略目標。構造性能指標：排水量：18750t；全長：170.7m；寬：12.1m；吃水：11.8m；S8G 自然循環(huán)壓水反響堆；熱功率：250MW； 更換核燃料周期：15 年以上；2 臺蒸汽輪機；齒輪減速裝置；單軸， 7 20 節(jié)以上；“俄亥俄”級核潛艇的艇體外形近似于13.3/1。艇體大局部是單殼體構造，占艇體總長的6見圖7-1-1；構造與布置：艇體艏艉部是非耐壓殼體，中部為耐壓殼體。耐壓艇體分為四大艙：指揮艙、艙、反響堆艙和主輔機艙。指揮艙分為三層：上層設有指揮室，無線電室和航

9、海儀器室；中層前部為生活艙，后部4 具放射管；艙位于舯部指揮臺圍殼后面，24 個放射井筒，對稱于中心線平行布置。反響堆艙的上部是通道，下部布置反響堆。 該級核潛艇在中低速航行時不使用主循環(huán)泵 或主循環(huán)泵發(fā)生故障時也能導出裂變熱，增加了安全性。7在巡航工況時不使用主循環(huán)泵 消聲材料、機械噪聲的隔聲減振措施、浮筏減振輪機安裝底座和低噪聲輔機等，因而輻射噪聲低。彈道放射井戰(zhàn)略巡航水下放射推出裝置艇內甲板與隔艙壁指揮與把握室軍官會議室聲納艙導航室無線電艙控制艙計算機房輔機艙1制餐設備艙輪機艙核反響堆艇員舗位與醫(yī)藥存儲間7-1-11 Ohio級SSBN-726功能設計布置87-1-12 Typhoon

10、SSBN-941放射井(TyphoonSSBN-941)核潛艇圖7-1-127-1-137-1-14，是前蘇聯最大的彈道潛的潛艇。 臺風級核潛艇是典積近乎于是俄亥俄級的兩倍，20 個放射管，裝載7-1-13 俄臺風級 (Typhoon SSBN-941) 核潛艇圖7-1-14SSBN-941的剖面圖SS-N-20 彈道，其射程到達8300 公里；構造性能指標艇長：171.5m；全寬：24.6m； 水上排水量： 21,500t ；潛航排水量：26,500 t ；極限潛深：300m核動力：2 臺ok-650 壓水堆；單臺功率：190MW；2 臺蒸汽輪機；總功率：81600 馬力。9核動力航空母艦

11、美國 尼米茲號Nimitz CVN 68航空母艦 美國 企業(yè)號Enterprise CVN 65航空母艦圖7-1-17Enterprise CVN 65的模航空母艦是一種以艦 載機為主要作戰(zhàn)武器的大 型水面艦只。它攻防兼?zhèn)?，作?zhàn)力量強，能執(zhí)行多種戰(zhàn)役戰(zhàn)術任務，因而倍受世界海軍的器重?，F代核動力航空母艦及艦載機已成為高 技術密集的軍事系統(tǒng)工程。不少專家認為，航空母艦已成為一個國家軍事、工業(yè)、科技水平與綜合國力的象 征。美國尼米茲號 Nimitz CVN 6圖7-1-1航空母艦 1976 年開頭建筑的型核動力航空母艦，至今， 該型航空母艦已建筑10 艘；排水量： 88,000t；總長： 332.8

12、m；水線長： 317.0m；最寬： 76.8 m；水線寬： 40.8 m；核動力：2A4Ws44總功率： 260,000 馬力企業(yè)號Enterprise CVN 65航母圖7-1-16、圖7-1-17是美國第一艘核動力航空母艦；排水量：93,500t ；總長：342.3 m；水線寬：40.5 m；核動力：8 x A2W壓水堆；4臺汽輪機； 4軸推動；280,000 shp； 速度：30節(jié)107-1-18 CVN-75 TRUMAN蒸汽彈射系統(tǒng)船上生活系統(tǒng)核動力系統(tǒng)一、二回路 CNV-75壓力容器應用場合CVN-75TRUMAN是美國尼米茲級10圖7-1-17-1-11996 2022CVN-6

13、8圖 7-1-20、圖7-1-21，是美國的一艘退役常規(guī)動力航母的輪機艙。從輪機艙的這些照片可 機殼箱體與附屬設備都屬于壓力容器7-1-19 所示的美CNV-75 核動力航空母艦，在船體的中部艙位部滿了兩套核動力系統(tǒng)一、二回路的壓力容器、船上生活系統(tǒng)壓力容器、飛機蒸汽彈射系統(tǒng)壓力容器；道系統(tǒng)中包括大量法蘭-管連接和管-焊管工藝；117-1-20 常規(guī)動力航母輪機艙壓力容器焊接構造7-1-21 輪機艙汽輪機與齒輪箱焊接構造12船長：134 m寬：27.6 m排水量：16,000 t7-17 世界第一艘核動力破冰船“列寧”核動力破冰船 7-19 核動力破冰船“Arktika”破冰船是用其船 頭部位

14、吃水較淺，從而可沖 到冰面上去，再用船體 重量把下面厚厚的冰層 壓為碎塊。然后破冰船倒退一段距離，再開足 馬力沖上前面的冰層， 如此反復，就開出了 的航道。俄羅斯是唯一擁有核動力破冰船的國家。 1957年，前蘇聯制造出世界第一艘核動力破冰船“列寧”號圖7-1。 “列寧號構造性能指標船長：134 m寬：27.6 m排水量： 16,000 t核動力：3 臺 OK-150 型壓水堆；單臺功率： 90MW；后改為：2臺OK-900 型壓水堆單臺功率170 M；至今，俄羅斯開發(fā)出的核動力破 冰船計有：Arktika 號、Sibir號、Rossiya號、Sovjetskij Sojuz 號Yamal號、5

15、0LetPobedy 號Ural號 、Taimyr號；13核動力商船圖7-20 美國第一艘核動力商船客貨輪Savannah 號輪機艙核一回路7-21 Savannah 號核動力布置輪機艙美國1955年開工、1959下水了世界上第一艘核動力商船“(Savannah”號，見圖7-23。Savannah號1962年服役，1972年退役。同型號的核動力商船美國共建筑了4艘；構造性能指標：船長： 181.66m；船寬： 23.77m；排水量： 21840t； 載客： 60 人；乘員：載貨力量：14040反響堆功率 70MW；推動：單軸、20300馬力；航速：21節(jié)；核一回路圖7-22Savannah 的

16、核動力系統(tǒng)美國在“薩瓦納”號核動力商船中，摸索出一整套有關設計、試驗、制造、安裝直到操作核動力船舶的成功數據和閱歷。如設計船用壓水堆一回路構造和材料選擇閱歷； 安裝、焊接壓水堆壓力容器、一回路管路的生產閱歷；核動力船舶檢測、試驗、運行、操作閱歷：如核燃料的裝添、核燃料的更換、壓水堆一回路安全運行、核屏蔽與核輻射 防護的閱歷等；這些貴重閱歷后來都被用于美國海軍軍用艦艇主要是核潛艇和航空母艦的開發(fā)和應用，為核動力船舶安全運行奠定了根底。142一屏蔽二屏蔽、一屏蔽二屏蔽、 Tireless)反響堆系統(tǒng)的安裝布置圖橫剖面1一回路構造系統(tǒng)的小型化設計要求與陸基核動力一回路系統(tǒng)相比，對船用壓水堆一回路構造

17、，要求集中、緊湊。例如對一艘大、中型核潛艇來說，艇體耐壓殼5-245-25直徑約為 810m，一回路的主要設備要求只能布置在直徑有限的圓形耐壓殼體內。因此，設計艇用反響堆和蒸發(fā)器等主要設備時，應依據潛艇特點，降低高度并充分利用空間， 以使整個核動力系統(tǒng)的管路緊湊。集中緊湊也利于核屏蔽構造的設計。一屏蔽二屏蔽7456mm10402mm圖5-25OK-150 型船用核反響堆俄一回路的安裝布置圖縱剖面1.反響堆2. 蒸汽發(fā)生器. 3. 主循環(huán)泵. 4. 把握棒驅動機構5. 過濾器. 6. 冷凝器.15對空間相對較大的水面艦船來說，例如核動力商船、航空母艦、破冰船般不超過1213m，因此，也要求一回路

18、系統(tǒng)的小型化設計。例如，圖 5-26是核動力商船Savannah號12m的橢圓狀屏1臺壓水型核反響堆、2臺套蒸汽發(fā)生器、1臺一回路穩(wěn)壓器、3臺一回路主泵和一回路主管道系統(tǒng)；在圖5-27中，顯示了美國核動力航空母艦CVN-75的浩大動力系統(tǒng)其中包括核動力的一 回路構造、汽輪機、齒輪減速器及飛機彈射所需的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)等都布置在吃水線以下。把握棒驅動反響堆壓力殼汽包共兩臺艙口穩(wěn)壓器12m共兩臺圖5-26Savannah核動力系統(tǒng)的一回路5-27 CVN-75 航空母艦美核動力布置艦體中部16船用壓水堆功率/體積比要求依據美俄兩國歷來使用船用壓水堆的統(tǒng)計，其單臺功率范圍為：70MW250MW；圖5-2

19、8、圖5-29給出了兩種型號的船用壓水堆構造尺寸和性能參數；出水口6.55m堆芯部件11m壁厚 150mm進水口2.25m5-28 Savannah 壓水堆壓力殼的近似尺寸2m功率 堆芯高度堆芯直徑核燃料質量U 富集度5m核燃料組件數核燃料柵格柵格型式 包敷體外經包敷體內經包敷體材料每組件的燃料塊數燃料裝添管直徑裝添管堆焊層厚堆焊材料1-冷卻水通道2-壓力殼3-堆芯熱屏蔽4-底板堆焊層與燃料塊間隙5-封帽6-進水口7-出水口燃料塊直徑圖5-29 俄OK-150 船用壓水堆的構造圖核燃料化學成份17與陸基核電用壓水堆相比，船用壓水堆屬于中小功率輸出的壓水堆，雖說是中小功率， 特別是高度 8臺A1

20、W 而俄羅斯的大型的核潛艇往往使用2臺180 MW的反響堆。解決“海量”的功率需求和單臺體積偏大的沖突，就是是承受一臺以上的反響堆，以不增加船舶核動力艙的高度。圖5-30是俄反響堆KLT-140剖面圖，KLT-1405-31是俄羅斯近年來開發(fā)的一種船用反響堆的構造外形和內部構造尺寸的估量；1.5m圖5-30反響堆KLT-140俄剖面圖5-31 俄羅斯的一種船用反響堆的尺寸2.5m圖 5-32 是美西屋公司的船用反響堆的尺寸和外形。4m2.5m5-32 美西屋公司的船用反響堆的尺寸18設計和承造，多由以高壓容器制造為特長的專業(yè)對口公司擔當。如美國，主要由西屋Westinghous和通用Gener

21、ic Electric兩家公司承攬全部船用包括核潛艇、核動力航空母艦及其它核動力水面艦船核動力單元局部的工程工程；5-1 俄羅斯核動力破冰船及浮動核電站、海水淡化站一覽表船用反響堆型號英文命名熱功率汽輪機輸出軸馬力英文命名5-1 俄羅斯核動力破冰船及浮動核電站、海水淡化站一覽表船用反響堆型號英文命名熱功率汽輪機輸出軸馬力英文命名及用堆數量第一代其次代第三代用于浮動核電站及海水淡化站表5-2 幾種典型核動力艦船反響堆代表性的核潛艇美國彈道核潛艇 俄亥俄級SSBN Ohio Class941SSBN Typhoon Class (Type 941)俄羅斯 攻擊型核潛艇 維克多級SSGNVictor

22、美企業(yè)號航母艇用反響堆的型號與核熱功率GE PWR S8G美通用第八代250MWOK-6502190MWVM4 型緊湊布置型壓水堆裝置 2150MW8 A2W壓水堆耐壓殼構造安全性要求壓水堆耐壓殼構造是最重要的核輻射屏蔽和堆內高壓的承載體，工作溫度一般處于300360、工作壓力1620 Mpa，考慮出余量，還要考慮到最嚴峻的可能故障，最終，可能到達56倍于工作壓力的耐壓殼壁厚設計；除此之外，設計上還要考慮核燃料的第一次裝添、核燃料更換、壓水堆工作狀態(tài)的監(jiān)測、耐壓殼制造問題；19一回路管路系統(tǒng)的安全性要求核安全親熱相關。裂紋擴展裂紋邊界外表缺陷裂紋部位5-33 Tireless號一回路核泄漏部位

23、5-34 一回路支管焊縫裂紋擴展裂紋是最嚴峻的焊接質量問 題，假設裂紋消滅在壓水堆一回 路管路的某個部位上，那更是十 分嚴峻的，由于對核動力船舶來 說，一般都不具備在發(fā)生核泄漏 狀況下，能進展現場修理條件。 例如，2022 年發(fā)生在英國Tireless 號核潛艇上的核泄漏事故就是因 5-33、圖5-3焊縫上的裂紋擴展而發(fā)生的；在早期與近代的核動力潛艇上，也曾發(fā)生過因蒸汽發(fā)生器的一回路管束的管子裂紋而引泄漏事 故。由于對壓水堆型的核動力系統(tǒng)來說，一回路與二回路之間就是靠蒸汽發(fā)生器的一回路管束的管子來進展核輻射隔離的，一旦蒸汽發(fā)生器的管子有裂紋圖5-3到核動力系統(tǒng)的二回路中來，于是造成嚴峻的事故；

24、陸基核電站也曾發(fā)生過類似的事故。圖 5-35 早期蒸汽發(fā)生器上可能發(fā)生的裂紋20子使用材料問題、也有制造、特別是與焊接工藝相關的問題；問題。換句話說，必需從焊接工程的角度動身確保一回路管路系統(tǒng)的安全性；反響堆冷卻水牢靠性要求 反響堆，防止堆芯因過熱而熔化，否則，那將會發(fā)生災難性后果。為此，壓水反響堆都有使5-3， 的流淌；1-1-壓水反響堆 2-蒸汽發(fā)生器 3-主循環(huán)泵 4-緊急冷卻泵 5-穩(wěn)壓器 6-過濾器 7-過濾器冷凝器俄羅斯第一代OK-150 型壓水堆一回路示意圖對一回路核屏蔽系統(tǒng)牢靠性要求反響堆的一回路系統(tǒng)接觸卻更為接近，因而對核輻射的防護也提出較高要求。核動力船舶設計一般用密封的安全屏蔽層，船用安全屏蔽層包括兩到三層：內參加吸取核