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从动力系统讲,柴电潜艇和水面舰艇所用柴油机有无区别?
海:总的讲没有太大区别,只是潜艇用柴油机排气的背压要求相对高一些。潜艇柴油机排气口处设置了气体分布器,可将废气均匀地变成小气泡排到海水里,不易被反潜兵力目视发现。
当风浪较大时。柴电潜艇如何保证通气管状态航行的安全?
海:潜艇通气管进气口被海水淹没时,浮阀装置会自动将进气口盖死,以防止海水进入。但是,通气管进气口被盖死的时间不能过长,否则正在工作的柴油机将从艇内舱室抽气,使舱室内的气压迅速下降,造成负压事故,严重危及艇员生命安全,对此是有沉痛教训的。虽然潜艇各舱室是用舱门隔开的,但全艇通风系统从首到尾是相通的,因此潜艇各舱室会同时出现负压。安全措施是:一旦因海浪造成通气管进口关闭,当舱室内压力降至一定数值时,应立刻手动或自动将柴油机停机。因此,柴电潜艇水下通气管航行时,对海面风浪等级是有严格要求的。
潜艇在水下航行中有时会遇到液体海底。海水密度跃层比较稳定,潜艇可以停坐在上面,既节约蓄电池电力,又可利用液体海底待机或休息。液体海底与季节和海区有关。如果潜艇停机,可以坐在上面悬浮,当然要注意不要坐在液体海底区域的边缘上。为了在液体海底上坐得更稳,可以向水柜再加注些海水使潜艇更重些。
潜艇在航行中,动力系统容易出现哪些问题?
海:仅举一例,如推力轴承。潜艇推力轴承用来承受水对螺旋桨的反作用力,最后将这个力传递给艇体,以推动潜艇前进。在这方面容易出现烧推力轴承的问题。推力轴承的推力瓦块表面通常采用耐磨材料巴氏合金,熔点低。螺旋桨工作时,推力轴承因承受巨大摩擦力而产生很高的热量,如果得不到及时冷却,推力轴承上的巴氏合金材料便容易熔化而“烧掉”。因此必须配有专门冷却系统对其表面进行冷却,这个冷却剂就是润滑油。具有一定压力的轴系润滑油不断进入推力表面,形成油膜减少了推力表面的摩擦力,同时不断带走热量,而这个润滑油是通过海水冷却的。如果轴系润滑油系统或轴系海水冷却水系统出现故障,潜艇螺旋桨就不能工作了。因此要及时监测滑油温度,温度异常时及时采取措施。
水:潜艇动力系统最常见的问题是“三漏”,即漏水、漏油、漏气(汽)。这与设备的密封效果、材料腐蚀等有关。“三漏”可能会造成设备运转失常,还可能污染空气影响人员健康。特别是核潜艇N路蒸汽管道,如果漏汽严重,高温高压的蒸汽弥漫到舱室里,可能烫伤人员的呼吸道和皮肤,所以是很危险的。
核潜艇反应堆在安全上容易出什么问题?
海:各国核潜艇反应堆大都用压水堆,这种堆广泛用于核电厂,技术上比较成熟。但是与常规潜艇相比,核潜艇存在一些特殊的安全问题。一个是反应堆核能释放控制问题。反应堆内设置有控制棒,以便按设计允许的功率水平逐渐释放核能。但在某些事故情况下,例如控制棒提升过快或连续抽出时,反应堆内所产生的热量在短时间内将急剧升高,这种失控的功率增长使堆内瞬间产生无法接受的大量热能,这些热能来不及被导出堆芯,将导致反应堆燃料元件烧毁。如1985年苏联太平洋舰队K-431号核潜艇在海参崴进行换料时,由于外部原因导致控制棒被提起相当高度,造成反应堆进入瞬发临界状态,发生了巨大爆炸,后果十分惨重。第二个是燃料元件产热导出的安全问题。反应堆燃料元件芯块和其外部的包壳材料能承受的温度都是有限度的,如果温度过高会导致严重损坏。因此在反应堆运行期间,必须及时将堆芯内的产热导出,防止堆芯温度升到超出安全的程度。反应堆第三个安全问题是辐射。堆内原子核在裂变过程中以及裂变产物衰变过程中将产生大量射线,如果发生燃料元件破损和一回路冷却剂泄漏事故,裂变产物可能失控外泄,其辐射会对人体和环境产生严重影响。
水:核事故大致分三类。第一类是反应堆失水事故,是指反应堆一回路管路破损或人为误操等原因,导致冷却水向外泄漏。核燃料因冷却水流失而得不到充分冷却,可能使堆芯熔化。失水事故是核潜艇核事故发生概率最高的,经我统计,在国外核潜艇发生过的48起核事故中,失水事故占30多起。1961年苏联H级K-19号弹道导弹核潜艇就是因失水事故造成反应堆熔化,死亡22人。到目前为止,最严重的3次核电站核事故,有2起也是失水事故,分别是1957年的英国温茨凯尔核电站失水事故、1979年的美国三哩岛核电站失水事故,所以不论核潜艇还是核电站,失水事故被普遍关注。
第二类是反应堆欠冷事故。是指由于一回路的冷却水流量减小或温度升高,造成反应堆冷却能力不足导致的事故。如一回路冷却水泵卡死或管道被阻塞,都会造成一回路流量减少,其中极端的事故是全船断电,备用电源也接不上,引起水泵完全停运,一回路冷却水循环完全停止,这种事故称为“断流事故”。
欠冷事故与失水事故都会造成反应堆冷却不足,主要区别是:欠冷事故的冷却水不向外泄漏;而失水事故的冷却水向外泄漏。
欠冷事故在国外核潜艇上发生得最少,记载的只有2次。
第三类是反应性引入事故,是指由于某种原因向反应堆内瞬间引入的中子数量过多,使链式反应过于猛烈,导致反应堆失控。这就好比在燃烧的火炉里泼上一桶汽油,在应该刹车时却误踩了油门。国外核潜艇共发生反应性引入事故约8起,仅次于失水事故,且都发生在苏联。
各国核潜艇反应堆的技术差距体现在哪里?
水:目前各国反应堆的技术差距有的地方还是比较大的,但已在逐步缩小之中。主要表现在反应堆的自然循环能力、设备的静音效果、设备仪器的小型化和自动化程度、核燃料使用寿期、核动力装置的安全可靠性和自动处理事故的能力、核动力装置建造中的模块化技术等方面。
请对自然循环反应堆及其适用的反应堆布置形式做一分析。
水:目前一体化布置的反应堆就是自然循环反应堆。自然循环能力是指:一回路不用主泵推动,仅靠冷却水的自动对流就能带走堆芯热量的能力。各国都在竭尽全力提高自然循环能力,好处一是降噪。如果在某种航速以下不用启动主泵就可带出堆内热隆,就去掉了核潜艇的一回路主泵噪声。据说国外更先进的核潜艇已经达到在较高功率下都不必启动主泵。第二个好处是反应堆停运时可自动带走堆内剩余释热。核反应堆停堆后,由于缓发中子的存在和裂变产物的β、γ衰变,仍会形成一个剩余热源,在停堆后由此产生的热 很可观。如果有较高的自然循环能力,停堆后一回路冷却水仍会继续自动流动,继续冷却堆芯,特别是当反应堆运行中冷却剂泵因故障不能运转时,自然循环能力的作用便尤为明显。
提高自然循环能力的途径有几种。
一是减小回路流阻,加大回路流量。一般的办法是采用“紧凑布置”,即缩短主管道长度、减少弯管,加大主管道直径,这实际上仍然没有摆脱分散布置的格局。或者采用“半一体化布置”,即取消阀门,将蒸汽发生器、主泵与核反应堆压力容器以超短管连接成为半一体。比较彻底的办法是采用“一体化布置”,把蒸汽发生器置入反应堆压力容器中,这样虽然反应堆堆芯和蒸汽发生器之间高度差很小,对自然循环不利,但由于完全取消了冷却剂系统中的管道连接,使冷却剂阻力大大减小,且完全杜绝了由于管道破损引起的失水事故,其对自然循环能力和安全的贡献远远大于位差造成的损失。另外还应尽量简化堆芯结构,使流道顺畅。
第二种途径是提高反应堆与蒸汽发生器之间的高度差。在反应堆舱空间容许的条件下,尽量抬高蒸汽发生器的高度,减小蒸汽发生器本身的长度:同时尽可能降低堆芯的高度。但由于舱室空间有限,提高两者位差潜力不大。
第三种途径是加大反应堆和蒸汽发生器中的冷却水温差(即密度差),来达到提高冷却剂上浮升力的目的。
国外潜艇核动力装置的布置形式基本走的是“分散布置一紧凑布置一半一体化一一体化”的循序渐进路子,各国都把提高自然循环能力作为重要指标。目前绝大部分都已发展为紧凑布置或半一体化核反应堆,自然循环能力明显提高。
法国是最先在核潜艇上采用一体化反应堆的,早在1971年服役的第一艘弹道导弹核潜艇“可畏”号上就使用了半一体化核反应堆,它的主泵在反应堆内。1982年又在“红宝石”级攻击型核港艇上使用了一体化反应堆,蒸汽发生器和冷却剂泵均在反应堆压力容器内,自然循环能力达30%。这种布置结构紧凑、系统简单、体积小、重量轻,大大减少了因管道引起的破损事故,提高了反应堆在低功率下的安全性。目前法国核潜艇全部是自然循环压水堆。
70年代以后,美国核潜艇均采用紧凑布置的自然循环压水堆,目前自然循环能力也已达到25%-30%。
俄罗斯在建造了100余艘紧凑布置压水堆核潜艇后,于1975年开始研制半一体化压水堆并用于核潜艇上,据悉正在进行全自然循环的一体化陆上试验堆,自然循环能力可达100%,即可望完全取消一回路泵。
如果降噪技术使得螺旋桨、齿轮箱和一回路主泵这三大噪声被显著抑制,核潜艇能否完全低于海洋背景噪声?
水:我对这点还有所怀疑。即使这三大噪声被削掉了,艇上还会有各种运转机械的轰轰噪声通过艇壁传向外面。现在艇上所有机械设备都有降噪措施,最差的也隔了一层胶皮垫,不可能将设备与艇壁硬性连接。
海:你如果在艇内用金属敲击艇体就有可能暴露目标。
核潜艇在作战需要时瞬间关机或启动的能力如何?
水:这实际是核潜艇的机动性问题。高速航行时能突-’然降低速度,也能在低速时很快提速,这是核潜艇应该具备的基本性能。航速的变化是靠降低或提高反应堆功率来实现。但是说反应堆“关机”不太确切,因为核潜艇一旦出海,是不会轻易关闭反应堆的,只有返回到基地后才完全关闭。核潜艇在海上,反应堆一旦关闭,再“点火”启动要经过数小时至十几个小时才行,所以不到万不得已,一般只把功率降到较低并维持住,而不完全“熄火”。
海:核潜艇的主动力系统能满足战术机动的需求。反应堆跟踪二回路功率需求的能力很强。当停车命令发出后,二回路汽轮机设有速关功能,能把二回路的进汽通道迅速关断,汽轮机很快便停车,这时反应堆功率控制系统能根据二回路需求功率的变化,迅速将控制棒插入堆芯,反应堆功率也会迅速降至应有的水平。反之,当二回路升功率命令发出后,通过自动或手动操作,反应堆功率也会根据二回路功率需求迅速升至所需的水平。
核潜艇普遍装备了柴油发电机和推进电机。这是否会增加系统的复杂度及故障率?
水:这种复杂是需要的,可以说是一种“保险”的作法,是一种备用的措施。目前只有法国核潜艇是用推进电机作为主推进方式。其它国家核潜艇的主动力基本都是用减速齿轮直接带动推进轴,但一般还要配备由蓄电池、柴油机和推进电机组成的备用动力,就是类似常规潜艇的推进动力。在主动力故障等特殊情况时,可启用备用动力系统。备用动力不由反应堆供能,也不启动主汽轮机组和齿轮箱,而由柴油直流发电机(通气管状态航行时)或蓄电池(水下航行时)提供直流电源,并通过直流推进电机驱动螺旋桨。蓄电池的电能也可以用来在海上重新启动已经关闭的反应堆。另外采用电动机航行,噪声也较低。
核潜艇必须配置汽轮发电机,以提供全船用电,为核潜艇的各种交直流电动机、仪器仪表、照明设备、电灶等用电设施提供电源。
美国攻击型核潜艇经常有大仰角上浮冲出海面的场景,这对系统设备有无影响?
海:潜艇上浮时通常非常小心,防止与水面舰船相碰。潜艇上浮前在弄清海面无危险后,可以造成一定尾倾,利用艇速迅速上浮,这样可以借助艇的惯性上浮,节省一些高压缩空气,因为高压空气在艇上的使用是有严格限制的。它是潜艇生命力的重要保证。
水:核潜艇一般不采用大仰角上浮的方式,这对很多设备都是有影响的,尤其是对那些相当于悬臂梁的设备。比如一些大的设备在艇内是水平安装的,底部用螺钉固定,上部不固定。如果潜艇出现几十度仰角姿态,这些设备的底座固定连接处吃力就很大。再如核潜艇上有些设备对系统用水的液面高度很严格,当潜艇出现仰角时,液面高度就变了,有可能提供错误信号,起码在这一瞬间是这样。另外,潜艇仰角过大时,艇内很多未固定物品会撒得到处都是,像桌上的喝水缸子、钟表、记录本等全都掉到水里了。因为艇上人站的地方是铺板,下面有舱内积水,这些水是蒸汽管道等设备或舱壁的凝结水日久天长积累下来的。还有,潜艇做这种动作要通知到艇内每个人,否则床铺上的人就摔下来了。因此,潜艇没有必要经常做这种上浮,但不排除训练时偶尔做一次。
这种上浮方式美国核潜艇最多,印象中俄罗斯潜艇似乎没有这种镜头。
水:除非在很危险的状态下,潜艇是不会采用这种紧急上浮方式的,而是“摸索”着慢慢上浮。我统计过国外核潜艇半个多世纪以来的事故情况,在300多起各种事故中,碰撞事故占45%,包括与水面船只相撞、触礁、搁浅与码头 相撞等,所以这种上浮方式只有在特殊情况下才使用。
潜艇上的各系统能否适应在不同海区的作战?
海:潜艇上很多系统设备如发电机和大型电动机等都有一套海水冷却系统,这些冷却系统在设计时,对外界水温是有要求的。
水:不同海域会给核潜艇带来不同影响。比如在寒带海区,有些船舷阀件可能发生泄漏,美国第一艘核潜艇“鹦鹉螺”号在从温带海区航行经过北极时深有感触。核潜艇在赤道附近水面航行,由于海水温度高达三四十度,使核潜艇有关设备的冷却水温度得不到充分的冷却,进而对一回路主泵、反应堆控制棒驱动机构、反应堆屏蔽等设备的冷却效果随之降低,可能影响这些设备的正常工作。
核潜艇全寿命周期成本比常规潜艇高很多,主要是哪些原因?
水:一艘核潜艇“从孕到死”要经过研制一生产一使用一修理一退役等过程,这个过程称为核潜艇的“全寿命”,但一般是指核潜艇服役期的三十年左右时间。
在服役期内,核潜艇比常规潜艇耗费高很多,主要有:更换核燃料,一炉核燃料本身的价格高达“亿元”的程度:更换核燃料需要打开反应堆的顶盖,拆除反应堆堆项上部有关设备,切割潜艇耐压钢板等,这个拆装过程的工时费、占用船台费、聘请专业技术人员费等也是很可观的:再加上卸下来的乏燃料也就是核废料的处理和最终处置,都需要大笔经费,因为带有很强放射性的核废料必须委托专门的机构、经过科学的处理进行长期无害存放。
核潜艇在驻泊和使用中,需要有更大的码头、更深的港池、更大的洞库、更充裕的双路岸电、更充足的水源,需要码头核废物接受和处理设施,更复杂的维修工厂,以及弹道导弹核潜艇所需要的核导弹技术准备专用设施等。所以,核潜艇的反应堆和核弹是特有的,也是经费高出常规潜艇的“核”心。
另外,核潜艇上的人员比常规潜艇多,需要培养的高学历艇员多,伙食费等待遇高,出海补助也高,高精尖的设备配置的多,维护经费较高等,以上都是费用较大的部分。
今后核潜艇的动力技术可能向哪方面发展?
海:进一步提高核动力装置的运行操作自动化水平,增强反应堆控制能力,减少误操作,增强事故处理能力。核动力装置的体积与重量约占核潜艇总体的40%～50%,它的自动化程度对全艇自动化水平和减少人员有重要意义。
水:现在有核国家已进入理智发展核潜艇的阶段,“量少质精”已成为研制发展的基本原则。其中在动力装置上的发展变化有两点。
一是追求“安静再安静”。潜艇的主要优势在于其隐蔽性。潜艇可以跑得不够快,可以住得不够舒适,可以牺牲一点攻击能力,但绝对不可放弃任何一个可以改善隐蔽性的可能。而噪声是破坏潜艇隐蔽性的主要因素,为此各种降噪措施应运而生,如采用泵喷射推进和磁流体推进以避免螺旋桨的搅动噪声,用浮筏减振使机械噪声在设备与船体间缓冲衰减,用高自然循环反应堆取消一回路主泵噪声。此外,核潜艇对所有运动机械都进行降噪设计,在高噪声设备上加装隔声罩、消声器或设立隔声室等。目前核潜艇最大噪声已由20世纪50年代的150-170分贝,普遍降到目前的120分贝左右,最先进的甚至达到100分贝以下。
二是力争核动力装置更安全、更长寿。核动力技术的发展方向主要体现在两个方面。一是通过继续提高反应堆自然循环能力,达到再进一步提高其固有安全性,逐步达到在任何航速下或停堆后的一定时间内,核反应堆都能可靠地自行进行冷却,而完全取消使用一回路主泵。二是研制与核潜艇同寿命的核反应堆,即在核潜艇的整个服役期内都不必更换核燃料,减少换料所需的经费、时间和带来的污染,提高在航率。
海:美国的S6G和S8G核潜艇反应堆换料周期可达10-13年,法国的CAS-48和K-15一体化布置的反应堆以及美国S9G新一代潜艇反应堆的寿期可达25～30年,基本上与艇体同寿命。
海:总的讲没有太大区别,只是潜艇用柴油机排气的背压要求相对高一些。潜艇柴油机排气口处设置了气体分布器,可将废气均匀地变成小气泡排到海水里,不易被反潜兵力目视发现。
当风浪较大时。柴电潜艇如何保证通气管状态航行的安全?
海:潜艇通气管进气口被海水淹没时,浮阀装置会自动将进气口盖死,以防止海水进入。但是,通气管进气口被盖死的时间不能过长,否则正在工作的柴油机将从艇内舱室抽气,使舱室内的气压迅速下降,造成负压事故,严重危及艇员生命安全,对此是有沉痛教训的。虽然潜艇各舱室是用舱门隔开的,但全艇通风系统从首到尾是相通的,因此潜艇各舱室会同时出现负压。安全措施是:一旦因海浪造成通气管进口关闭,当舱室内压力降至一定数值时,应立刻手动或自动将柴油机停机。因此,柴电潜艇水下通气管航行时,对海面风浪等级是有严格要求的。
潜艇在水下航行中有时会遇到液体海底。海水密度跃层比较稳定,潜艇可以停坐在上面,既节约蓄电池电力,又可利用液体海底待机或休息。液体海底与季节和海区有关。如果潜艇停机,可以坐在上面悬浮,当然要注意不要坐在液体海底区域的边缘上。为了在液体海底上坐得更稳,可以向水柜再加注些海水使潜艇更重些。
潜艇在航行中,动力系统容易出现哪些问题?
海:仅举一例,如推力轴承。潜艇推力轴承用来承受水对螺旋桨的反作用力,最后将这个力传递给艇体,以推动潜艇前进。在这方面容易出现烧推力轴承的问题。推力轴承的推力瓦块表面通常采用耐磨材料巴氏合金,熔点低。螺旋桨工作时,推力轴承因承受巨大摩擦力而产生很高的热量,如果得不到及时冷却,推力轴承上的巴氏合金材料便容易熔化而“烧掉”。因此必须配有专门冷却系统对其表面进行冷却,这个冷却剂就是润滑油。具有一定压力的轴系润滑油不断进入推力表面,形成油膜减少了推力表面的摩擦力,同时不断带走热量,而这个润滑油是通过海水冷却的。如果轴系润滑油系统或轴系海水冷却水系统出现故障,潜艇螺旋桨就不能工作了。因此要及时监测滑油温度,温度异常时及时采取措施。
水:潜艇动力系统最常见的问题是“三漏”,即漏水、漏油、漏气(汽)。这与设备的密封效果、材料腐蚀等有关。“三漏”可能会造成设备运转失常,还可能污染空气影响人员健康。特别是核潜艇N路蒸汽管道,如果漏汽严重,高温高压的蒸汽弥漫到舱室里,可能烫伤人员的呼吸道和皮肤,所以是很危险的。
核潜艇反应堆在安全上容易出什么问题?
海:各国核潜艇反应堆大都用压水堆,这种堆广泛用于核电厂,技术上比较成熟。但是与常规潜艇相比,核潜艇存在一些特殊的安全问题。一个是反应堆核能释放控制问题。反应堆内设置有控制棒,以便按设计允许的功率水平逐渐释放核能。但在某些事故情况下,例如控制棒提升过快或连续抽出时,反应堆内所产生的热量在短时间内将急剧升高,这种失控的功率增长使堆内瞬间产生无法接受的大量热能,这些热能来不及被导出堆芯,将导致反应堆燃料元件烧毁。如1985年苏联太平洋舰队K-431号核潜艇在海参崴进行换料时,由于外部原因导致控制棒被提起相当高度,造成反应堆进入瞬发临界状态,发生了巨大爆炸,后果十分惨重。第二个是燃料元件产热导出的安全问题。反应堆燃料元件芯块和其外部的包壳材料能承受的温度都是有限度的,如果温度过高会导致严重损坏。因此在反应堆运行期间,必须及时将堆芯内的产热导出,防止堆芯温度升到超出安全的程度。反应堆第三个安全问题是辐射。堆内原子核在裂变过程中以及裂变产物衰变过程中将产生大量射线,如果发生燃料元件破损和一回路冷却剂泄漏事故,裂变产物可能失控外泄,其辐射会对人体和环境产生严重影响。
水:核事故大致分三类。第一类是反应堆失水事故,是指反应堆一回路管路破损或人为误操等原因,导致冷却水向外泄漏。核燃料因冷却水流失而得不到充分冷却,可能使堆芯熔化。失水事故是核潜艇核事故发生概率最高的,经我统计,在国外核潜艇发生过的48起核事故中,失水事故占30多起。1961年苏联H级K-19号弹道导弹核潜艇就是因失水事故造成反应堆熔化,死亡22人。到目前为止,最严重的3次核电站核事故,有2起也是失水事故,分别是1957年的英国温茨凯尔核电站失水事故、1979年的美国三哩岛核电站失水事故,所以不论核潜艇还是核电站,失水事故被普遍关注。
第二类是反应堆欠冷事故。是指由于一回路的冷却水流量减小或温度升高,造成反应堆冷却能力不足导致的事故。如一回路冷却水泵卡死或管道被阻塞,都会造成一回路流量减少,其中极端的事故是全船断电,备用电源也接不上,引起水泵完全停运,一回路冷却水循环完全停止,这种事故称为“断流事故”。
欠冷事故与失水事故都会造成反应堆冷却不足,主要区别是:欠冷事故的冷却水不向外泄漏;而失水事故的冷却水向外泄漏。
欠冷事故在国外核潜艇上发生得最少,记载的只有2次。
第三类是反应性引入事故,是指由于某种原因向反应堆内瞬间引入的中子数量过多,使链式反应过于猛烈,导致反应堆失控。这就好比在燃烧的火炉里泼上一桶汽油,在应该刹车时却误踩了油门。国外核潜艇共发生反应性引入事故约8起,仅次于失水事故,且都发生在苏联。
各国核潜艇反应堆的技术差距体现在哪里?
水:目前各国反应堆的技术差距有的地方还是比较大的,但已在逐步缩小之中。主要表现在反应堆的自然循环能力、设备的静音效果、设备仪器的小型化和自动化程度、核燃料使用寿期、核动力装置的安全可靠性和自动处理事故的能力、核动力装置建造中的模块化技术等方面。
请对自然循环反应堆及其适用的反应堆布置形式做一分析。
水:目前一体化布置的反应堆就是自然循环反应堆。自然循环能力是指:一回路不用主泵推动,仅靠冷却水的自动对流就能带走堆芯热量的能力。各国都在竭尽全力提高自然循环能力,好处一是降噪。如果在某种航速以下不用启动主泵就可带出堆内热隆,就去掉了核潜艇的一回路主泵噪声。据说国外更先进的核潜艇已经达到在较高功率下都不必启动主泵。第二个好处是反应堆停运时可自动带走堆内剩余释热。核反应堆停堆后,由于缓发中子的存在和裂变产物的β、γ衰变,仍会形成一个剩余热源,在停堆后由此产生的热 很可观。如果有较高的自然循环能力,停堆后一回路冷却水仍会继续自动流动,继续冷却堆芯,特别是当反应堆运行中冷却剂泵因故障不能运转时,自然循环能力的作用便尤为明显。
提高自然循环能力的途径有几种。
一是减小回路流阻,加大回路流量。一般的办法是采用“紧凑布置”,即缩短主管道长度、减少弯管,加大主管道直径,这实际上仍然没有摆脱分散布置的格局。或者采用“半一体化布置”,即取消阀门,将蒸汽发生器、主泵与核反应堆压力容器以超短管连接成为半一体。比较彻底的办法是采用“一体化布置”,把蒸汽发生器置入反应堆压力容器中,这样虽然反应堆堆芯和蒸汽发生器之间高度差很小,对自然循环不利,但由于完全取消了冷却剂系统中的管道连接,使冷却剂阻力大大减小,且完全杜绝了由于管道破损引起的失水事故,其对自然循环能力和安全的贡献远远大于位差造成的损失。另外还应尽量简化堆芯结构,使流道顺畅。
第二种途径是提高反应堆与蒸汽发生器之间的高度差。在反应堆舱空间容许的条件下,尽量抬高蒸汽发生器的高度,减小蒸汽发生器本身的长度:同时尽可能降低堆芯的高度。但由于舱室空间有限,提高两者位差潜力不大。
第三种途径是加大反应堆和蒸汽发生器中的冷却水温差(即密度差),来达到提高冷却剂上浮升力的目的。
国外潜艇核动力装置的布置形式基本走的是“分散布置一紧凑布置一半一体化一一体化”的循序渐进路子,各国都把提高自然循环能力作为重要指标。目前绝大部分都已发展为紧凑布置或半一体化核反应堆,自然循环能力明显提高。
法国是最先在核潜艇上采用一体化反应堆的,早在1971年服役的第一艘弹道导弹核潜艇“可畏”号上就使用了半一体化核反应堆,它的主泵在反应堆内。1982年又在“红宝石”级攻击型核港艇上使用了一体化反应堆,蒸汽发生器和冷却剂泵均在反应堆压力容器内,自然循环能力达30%。这种布置结构紧凑、系统简单、体积小、重量轻,大大减少了因管道引起的破损事故,提高了反应堆在低功率下的安全性。目前法国核潜艇全部是自然循环压水堆。
70年代以后,美国核潜艇均采用紧凑布置的自然循环压水堆,目前自然循环能力也已达到25%-30%。
俄罗斯在建造了100余艘紧凑布置压水堆核潜艇后,于1975年开始研制半一体化压水堆并用于核潜艇上,据悉正在进行全自然循环的一体化陆上试验堆,自然循环能力可达100%,即可望完全取消一回路泵。
如果降噪技术使得螺旋桨、齿轮箱和一回路主泵这三大噪声被显著抑制,核潜艇能否完全低于海洋背景噪声?
水:我对这点还有所怀疑。即使这三大噪声被削掉了,艇上还会有各种运转机械的轰轰噪声通过艇壁传向外面。现在艇上所有机械设备都有降噪措施,最差的也隔了一层胶皮垫,不可能将设备与艇壁硬性连接。
海:你如果在艇内用金属敲击艇体就有可能暴露目标。
核潜艇在作战需要时瞬间关机或启动的能力如何?
水:这实际是核潜艇的机动性问题。高速航行时能突-’然降低速度,也能在低速时很快提速,这是核潜艇应该具备的基本性能。航速的变化是靠降低或提高反应堆功率来实现。但是说反应堆“关机”不太确切,因为核潜艇一旦出海,是不会轻易关闭反应堆的,只有返回到基地后才完全关闭。核潜艇在海上,反应堆一旦关闭,再“点火”启动要经过数小时至十几个小时才行,所以不到万不得已,一般只把功率降到较低并维持住,而不完全“熄火”。
海:核潜艇的主动力系统能满足战术机动的需求。反应堆跟踪二回路功率需求的能力很强。当停车命令发出后,二回路汽轮机设有速关功能,能把二回路的进汽通道迅速关断,汽轮机很快便停车,这时反应堆功率控制系统能根据二回路需求功率的变化,迅速将控制棒插入堆芯,反应堆功率也会迅速降至应有的水平。反之,当二回路升功率命令发出后,通过自动或手动操作,反应堆功率也会根据二回路功率需求迅速升至所需的水平。
核潜艇普遍装备了柴油发电机和推进电机。这是否会增加系统的复杂度及故障率?
水:这种复杂是需要的,可以说是一种“保险”的作法,是一种备用的措施。目前只有法国核潜艇是用推进电机作为主推进方式。其它国家核潜艇的主动力基本都是用减速齿轮直接带动推进轴,但一般还要配备由蓄电池、柴油机和推进电机组成的备用动力,就是类似常规潜艇的推进动力。在主动力故障等特殊情况时,可启用备用动力系统。备用动力不由反应堆供能,也不启动主汽轮机组和齿轮箱,而由柴油直流发电机(通气管状态航行时)或蓄电池(水下航行时)提供直流电源,并通过直流推进电机驱动螺旋桨。蓄电池的电能也可以用来在海上重新启动已经关闭的反应堆。另外采用电动机航行,噪声也较低。
核潜艇必须配置汽轮发电机,以提供全船用电,为核潜艇的各种交直流电动机、仪器仪表、照明设备、电灶等用电设施提供电源。
美国攻击型核潜艇经常有大仰角上浮冲出海面的场景,这对系统设备有无影响?
海:潜艇上浮时通常非常小心,防止与水面舰船相碰。潜艇上浮前在弄清海面无危险后,可以造成一定尾倾,利用艇速迅速上浮,这样可以借助艇的惯性上浮,节省一些高压缩空气,因为高压空气在艇上的使用是有严格限制的。它是潜艇生命力的重要保证。
水:核潜艇一般不采用大仰角上浮的方式,这对很多设备都是有影响的,尤其是对那些相当于悬臂梁的设备。比如一些大的设备在艇内是水平安装的,底部用螺钉固定,上部不固定。如果潜艇出现几十度仰角姿态,这些设备的底座固定连接处吃力就很大。再如核潜艇上有些设备对系统用水的液面高度很严格,当潜艇出现仰角时,液面高度就变了,有可能提供错误信号,起码在这一瞬间是这样。另外,潜艇仰角过大时,艇内很多未固定物品会撒得到处都是,像桌上的喝水缸子、钟表、记录本等全都掉到水里了。因为艇上人站的地方是铺板,下面有舱内积水,这些水是蒸汽管道等设备或舱壁的凝结水日久天长积累下来的。还有,潜艇做这种动作要通知到艇内每个人,否则床铺上的人就摔下来了。因此,潜艇没有必要经常做这种上浮,但不排除训练时偶尔做一次。
这种上浮方式美国核潜艇最多,印象中俄罗斯潜艇似乎没有这种镜头。
水:除非在很危险的状态下,潜艇是不会采用这种紧急上浮方式的,而是“摸索”着慢慢上浮。我统计过国外核潜艇半个多世纪以来的事故情况,在300多起各种事故中,碰撞事故占45%,包括与水面船只相撞、触礁、搁浅与码头 相撞等,所以这种上浮方式只有在特殊情况下才使用。
潜艇上的各系统能否适应在不同海区的作战?
海:潜艇上很多系统设备如发电机和大型电动机等都有一套海水冷却系统,这些冷却系统在设计时,对外界水温是有要求的。
水:不同海域会给核潜艇带来不同影响。比如在寒带海区,有些船舷阀件可能发生泄漏,美国第一艘核潜艇“鹦鹉螺”号在从温带海区航行经过北极时深有感触。核潜艇在赤道附近水面航行,由于海水温度高达三四十度,使核潜艇有关设备的冷却水温度得不到充分的冷却,进而对一回路主泵、反应堆控制棒驱动机构、反应堆屏蔽等设备的冷却效果随之降低,可能影响这些设备的正常工作。
核潜艇全寿命周期成本比常规潜艇高很多,主要是哪些原因?
水:一艘核潜艇“从孕到死”要经过研制一生产一使用一修理一退役等过程,这个过程称为核潜艇的“全寿命”,但一般是指核潜艇服役期的三十年左右时间。
在服役期内,核潜艇比常规潜艇耗费高很多,主要有:更换核燃料,一炉核燃料本身的价格高达“亿元”的程度:更换核燃料需要打开反应堆的顶盖,拆除反应堆堆项上部有关设备,切割潜艇耐压钢板等,这个拆装过程的工时费、占用船台费、聘请专业技术人员费等也是很可观的:再加上卸下来的乏燃料也就是核废料的处理和最终处置,都需要大笔经费,因为带有很强放射性的核废料必须委托专门的机构、经过科学的处理进行长期无害存放。
核潜艇在驻泊和使用中,需要有更大的码头、更深的港池、更大的洞库、更充裕的双路岸电、更充足的水源,需要码头核废物接受和处理设施,更复杂的维修工厂,以及弹道导弹核潜艇所需要的核导弹技术准备专用设施等。所以,核潜艇的反应堆和核弹是特有的,也是经费高出常规潜艇的“核”心。
另外,核潜艇上的人员比常规潜艇多,需要培养的高学历艇员多,伙食费等待遇高,出海补助也高,高精尖的设备配置的多,维护经费较高等,以上都是费用较大的部分。
今后核潜艇的动力技术可能向哪方面发展?
海:进一步提高核动力装置的运行操作自动化水平,增强反应堆控制能力,减少误操作,增强事故处理能力。核动力装置的体积与重量约占核潜艇总体的40%～50%,它的自动化程度对全艇自动化水平和减少人员有重要意义。
水:现在有核国家已进入理智发展核潜艇的阶段,“量少质精”已成为研制发展的基本原则。其中在动力装置上的发展变化有两点。
一是追求“安静再安静”。潜艇的主要优势在于其隐蔽性。潜艇可以跑得不够快,可以住得不够舒适,可以牺牲一点攻击能力,但绝对不可放弃任何一个可以改善隐蔽性的可能。而噪声是破坏潜艇隐蔽性的主要因素,为此各种降噪措施应运而生,如采用泵喷射推进和磁流体推进以避免螺旋桨的搅动噪声,用浮筏减振使机械噪声在设备与船体间缓冲衰减,用高自然循环反应堆取消一回路主泵噪声。此外,核潜艇对所有运动机械都进行降噪设计,在高噪声设备上加装隔声罩、消声器或设立隔声室等。目前核潜艇最大噪声已由20世纪50年代的150-170分贝,普遍降到目前的120分贝左右,最先进的甚至达到100分贝以下。
二是力争核动力装置更安全、更长寿。核动力技术的发展方向主要体现在两个方面。一是通过继续提高反应堆自然循环能力,达到再进一步提高其固有安全性,逐步达到在任何航速下或停堆后的一定时间内,核反应堆都能可靠地自行进行冷却,而完全取消使用一回路主泵。二是研制与核潜艇同寿命的核反应堆,即在核潜艇的整个服役期内都不必更换核燃料,减少换料所需的经费、时间和带来的污染,提高在航率。
海:美国的S6G和S8G核潜艇反应堆换料周期可达10-13年,法国的CAS-48和K-15一体化布置的反应堆以及美国S9G新一代潜艇反应堆的寿期可达25～30年,基本上与艇体同寿命。