核動力艦船堆芯應急冷卻供電系統分析

薛 偉，葛 宋，馬曉晨

(1.中國船舶重工集團公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150036;2.中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100192)

0 引言

核動力推進相比于蒸汽動力、柴油機、燃氣輪機等艦船動力裝置具有能量密度高、續航能力強、功率大、不依賴氧氣等優點。自1954年第1艘核潛艇下水至今，世界上先后已有近10個國家建造了470多艘采用核動力推進的各類艦船［1］。核動力推進在船舶動力系統中已發揮著不可替代的作用。

艦艇核動力裝置主要由反應堆、一回路反應堆冷卻系統、二回路主汽輪機、傳動裝置、推進軸等組成。與常規動力裝置不同的是，由于核反應的特點，反應堆在運行過程中停堆后功率不會立即下降到0，由于緩發中子引起的裂變、裂變產物的衰變而使堆芯仍有很大的熱功率，這部分余熱如不及時排除，將會使堆芯存在熔化的可能。船舶核動力裝置運行過程中的潛在危險性很大一方面來源于此。必須配備專門的堆芯應急冷卻系統，保證事故停堆后堆芯余熱能及時排出。堆芯應急冷卻系統的工作需要為水泵等裝置提供持續、高質量的電源，為此需要設計可靠的應急供電系統。

由于運行環境和使用條件的特殊性，艦艇核動力裝置對于安全性和可靠性提出了很高的要求［2］。堆芯應急冷卻供電系統的設計是核動力艦船安全性的關鍵之一。本文分析2種典型核動力艦船——俄羅斯“北極”號核動力破冰船和法國“戴高樂”核動力航母的堆芯冷卻應急供電系統的特點;通過美國核動力航母上應急電源原動機及電池的配置情況，初步探討美國核動力航母堆芯應急冷卻供電的特點。在此基礎上，總結核動力艦船堆芯應急冷卻供電系統的設計原則。

1 俄羅斯“北極”號破冰船堆芯應急冷卻供電系統

俄羅斯“北極”號核動力破冰船于1975年4月投入使用，排水量23000 t，裝備2座OK－900型反應堆，單堆熱功率171 MW。“北極”號破冰船電力系統示意圖如圖1所示。

“北極”號破冰船上設有首電站和尾電站，首電站主要包括輔汽輪發電機1、2及主配電柜;尾電站包括輔汽輪發電機3、4、5、備用柴油發電機和主配電柜2。發電機和主配電柜分別布置在不同的艙室中，每臺輔汽輪發電機的功率為2 MW，備用柴油發電機功率為1 MW。船上還設有2臺岸電柜，用于無船上電源時給船上供電。備用電源由應急柴油發電機和蓄電池組組成，蓄電池組配備直流－交流電力轉換裝置。應急柴油發電機由2臺功率為2 MW的應急柴油發電機和分組 (應急)配電柜組成。

圖1 “北極”號破冰船電力系統示意圖Fig.1 The electric system of the Arktita nuclear powered icebreaker

堆芯應急冷卻供電系統的電力取自全艦應急供電系統，是全艦應急供電系統的一個組成部分。為了滿足核安全設計要求，“北極”號破冰船上設置2個核動力裝置專用配電柜，為包括堆芯應急冷卻系統在內的核動力裝置提供持續電源。每個核動力裝置專用配電柜可從2個無關聯的主配電柜和1個分組 (應急)配電柜上獲得電能，確保單獨一路失電的情況下仍能保證核動力裝置的供電安全。“北極”號破冰船通過如下供電組合，使核動力裝置啟動、停止和工作時都有2路無關的電源供電:岸電配電柜+輔汽輪發電機，輔汽輪發電機+應急柴油發電機，應急柴油發電機+蓄電池組。

核動力船舶對供電系統的可靠性及不間斷性要求要遠高于一般常規動力艦船，“北極”號破冰船上應急供電系統的設置充分體現了對安全性的重視。

2 法國“戴高樂”號核動力航母堆芯應急冷卻供電系統

“戴高樂”號核動力航母排水量35000 t，2001年5月服役，采用2座“凱旋”級核潛艇的K－15型壓水堆，單堆推進功率61 MW。“戴高樂”號航母采用潛艇的核動力裝置，但其應急電源中沒有作為潛艇標準配置的蓄電池，而采用柴油機發電機和燃氣輪機發電機作應急電源。這是由于相對核潛艇，航母上有充足的氧氣來源，可采用其他替代后備措施。“戴高樂”號航母的電力系統設計有其獨特之處，采用了多種類型的發電原動機，利用不同類型原動機的特點，取長補短，增加系統工作的可靠性。“戴高樂”號核動力航母的電力系統示意圖如圖2所示。

航母上設置了2個主電站，每個電站包含2臺2MW的汽輪發電機組，對稱地布置在兩舷;艦上還設置了2個應急電站和2個安全電站，每個應急電站配置3臺單機功率0.85 MW的應急柴油發電機，每個安全電站配備了2臺燃氣輪機發電機(取代蓄電池作應急電源)專門用于反應堆的應急供電，單機功率約為1.9 MW。

圖2 “戴高樂”號核動力航母電力系統示意圖Fig.2 The electric system of the Charles de Gaulle nuclear powered carrier

堆芯應急冷卻供電系統同樣是全艦應急供電系統的一個組成部分。 “戴高樂”號航母通過如下供電組合，確保對反應堆的應急供電:主電站+應急電站柴油發電機，應急電站柴油發電機+安全電站燃氣輪機發電機。燃氣輪機具有啟動快、控制方便的特點，可顯著提高設備供電的可靠性。通過這種3套電站10臺機組的交叉供電配置，包括核反應堆堆芯應急冷卻系統在內的反應堆安全輔助設備能夠得到持續、可靠的電力供應。

3 美國核動力航母堆芯應急冷卻供電系統初步分析

美國“尼米茲”級核動力航母采用2座A4W/A1G反應堆，單堆熱功率500～600 MW。其中“尼米茲”號核動力航母的全艦發電量達到了72 MW，配備8臺功率為8 MW的汽輪發電機及4臺2 MW的柴油應急發電機，此外還配有多組蓄電池。對于美國核動力航母的相關系統設計披露極少，通過對“北極”號破冰船供電系統的分析及結合美國核動力航母應急供電系統的原動機和蓄電池的配置，可以得出美國核動力航母與“北極”號破冰船的堆芯應急冷卻供電系統遵循相同設計思路的結論。由于核動力航母的反應堆熱功率顯著大于破冰船以及其對生存能力有更高的要求，需要充分考慮發電機組的單機容量規格和數目、多臺發電機組連接方式的可靠性、電站的布置及獨立性等。

4 核動力航母堆芯應急冷卻供電系統的設計原則

核動力系統中堆芯應急供電系統設計的最主要特征體現在對應急供電系統的可靠性和不間斷性的重視，以確保在事故狀態下應急電源能有效工作。具體體現在以下幾個方面:

1)電源的冗余。對于核動力航母而言，某一反應堆發生停堆時，仍能由另一個反應堆的汽輪機發電維持必要的電源;在主電源失去的情況下，通過設置的多個應急柴油發電機組進行發電，并且考慮到柴油機的故障率，可再設有一個或多個備用柴油機;還設有一定容量的蓄電池組，并設有直流－交流電力轉換裝置，維持應急柴油機啟動間隙及一次啟動失敗時的供電，為事故處理爭取時間。

2)供電線路的冗余。采用高可靠性的網形配電方式［3］，保證包括堆芯應急冷卻系統在內的核安全相關的系統能得到至少2條以上的線路供電。

3)不同電力來源及供電線路間的獨立性。保持不同供電路徑之間的相對獨立，在一條途徑損壞時不對其他途徑產生影響。如一母線上的故障不會對另一母線造成影響。

對應急電源系統可靠性的重視還體現在:應急電源的設計提供了充足的裕度，如應急柴油發電機的功率、蓄電池組的容量;應急電源系統的測試和維護，如柴油機組定期進行可靠性測試。系統多重冗余性及裕度的設計雖然增大了系統的規模及成本，但考慮到核反應堆事故的嚴重性，這些措施非常必要。

5 結語

為堆芯應急冷卻系統提供電力供電系統的設計對于核動力艦船的安全性至關重要。通過對典型核動力艦船供電系統特點的分析，可看出堆芯應急冷卻供電系統是全艦應急供電系統的一個組成部分，強調安全性和可靠性是應急供電系統設計的核心，也是核動力艦船堆芯應急冷卻供電系統的設計原則。這種原則通過設置應急電源冗余、供電線路冗余以及保持不同電力來源及供電線路間的獨立性等方式來體現。

［1］彭敏俊，王兆祥.船舶核動力裝置［M］.北京:原子能出版社，2009.

［2］張大發，船用反應堆運行與管理［M］.北京:原子能出版社，1993.

［3］龐科旺，船舶電力系統設計［M］.北京:機械工程出版社，2010.