世界上第一艘核動力商船“Savannah”號

無需添加燃料，動力強勁，幾乎零排放。隨著全球航運業(yè)脫碳化的趨勢，加上民用核技術(shù)的不斷創(chuàng)新，曾一度被視為高成本高風(fēng)險的核動力商船開始重新進入視野，大型遠洋船舶的核動力時代正在來臨。

大型遠洋船最適合核動力？全球各國開展民用核動力船舶研究

雖然核動力在很長一段時間里都不被視為可行的商船動力選擇，但近年來在脫碳化趨勢下，核動力作為船用燃料再次獲得關(guān)注。荷蘭船舶設(shè)計與工程公司C-Job Naval Architects最近披露的一項新研究顯示，核能在未來可以作為船舶推進使用，而大型遠洋船舶正是核動力推進的最佳選擇。

C-Job創(chuàng)建了散貨船、集裝箱船、油船和海工船四個不同的船型概念，分析了能源儲存和發(fā)電系統(tǒng)的質(zhì)量和體積等關(guān)鍵問題。結(jié)果表明，即使反應(yīng)堆周圍的屏蔽層在核發(fā)電系統(tǒng)各自的質(zhì)量和體積中占很大一部分，但在大多數(shù)情況下核電方案比傳統(tǒng)的船用柴油方案更輕、更緊湊。

根據(jù)這項研究，C-Job得出結(jié)論，從長遠來看熔鹽反應(yīng)堆的潛力最大，被動安全、高燃耗以及未來使用釷循環(huán)的潛力的結(jié)合，使其最適合海事應(yīng)用。與基于傳統(tǒng)燃料的系統(tǒng)相比，核動力船舶可以減少高達98%的二氧化碳排放，此外硫氧化物、顆粒物、氮氧化物等空氣污染也能夠完全消除。

雖然核動力船的資本支出很高，但C-Job的研究顯示，核動力船能夠在五到十五年內(nèi)具有成本效益，具體取決于燃料成本和船舶運行狀況。同時，核動力船提供了考慮更高設(shè)計速度的可能性，從而使船舶更加有利可圖。這是因為燃料成本（OPEX）只會隨著航速的提高而略有增長，而最終的主要限制因素是更大功率的裝置的資本支出。

2020年，微軟創(chuàng)始人比爾蓋茨所創(chuàng)辦的核能公司泰拉能源（Terrapower）與Core-Power、法國核材料處理專家Orano和美國南方電力公司（Southern Company）合資成立一家新公司，計劃在美國開發(fā)熔鹽反應(yīng)堆原子能技術(shù)。

去年6月，韓國三星重工宣布將與韓國國家原子能研究院聯(lián)合研發(fā)搭載小型模塊型熔鹽反應(yīng)堆的核動力船舶。三星重工計劃將熔鹽反應(yīng)堆與目前正在研發(fā)中的氨能、氫能技術(shù)一起進行集中研發(fā)，使其成為三星重工新的未來增長動力。

去年11月，日本郵船、日本造船聯(lián)合（JMU）以及DNV合作研發(fā)了配備核聚變反應(yīng)堆的20000TEU超大型集裝箱船概念設(shè)計。該型船計劃搭載的核聚變反應(yīng)堆很可能采用加拿大通用聚變公司（General Fusion）正在研發(fā)的磁化靶聚變（MTF）技術(shù)。

今年4月，挪威烏斯坦（Ulstein）集團推出了名為雷神（Thor）的核動力零排放船舶設(shè)計。雷神為海上補給、科考、救助船，其動力來源為釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（Thorium Molten Salt Reactor）。該船還可以作為移動“充電站”，為航行在海上的其他船舶進行充電補給。

里程碑！英國將通過商業(yè)核動力船舶法規(guī)支持商船使用核能

近日，英國交通部通過了海事和海岸警衛(wèi)隊（MCA）制定的目標(biāo)，計劃在今年晚些時候頒布《商船（核動力船舶）條例》，以支持在商船運輸中使用核能。該法規(guī)預(yù)計將于2022年11月生效，實施SOLAS第七章的要求，該章節(jié)編纂了《核規(guī)則（ Nuclear Code）》的建造和運營標(biāo)準(zhǔn)。雖然這主要是將《國際海上人命安全公約》（SOLAS）的內(nèi)容納入英國法律的技術(shù)性舉措，但這對提供必要的結(jié)構(gòu)支持至關(guān)重要，并被視為商業(yè)行業(yè)對核動力產(chǎn)生新興趣的標(biāo)志。

根據(jù)MCA的說法，該法規(guī)以及與美國等其他國家的緊密聯(lián)系，將增加實現(xiàn)掛英國船旗的核動力商船的可能性。

該法規(guī)定頒布將完成英國多年來的努力，旨在使核能成為商業(yè)航運的一個選擇。在公布了擬議的法規(guī)后，MCA進行了一段咨詢期，允許業(yè)界對該法規(guī)提供意見。MCA特別提出了一系列問題，以確定人們的興趣、規(guī)則的必要性、規(guī)則的后果以及滿足規(guī)則所載調(diào)查和檢查制度的困難。

據(jù)悉，總共有14家公司答復(fù)了MCA，包括船級社、航運組織、研究公司和商業(yè)航運公司。在14家公司中，有11家同意MCA的觀點，即在未來10年內(nèi)對核動力船舶有興趣，特別是對核動力大型遠洋的興趣越來越大。這些公司大多也同意MCA的觀點，即在2030年之前，新的或現(xiàn)有的核動力船舶不太可能在英國注冊。然而，大多數(shù)受訪者也表示，核動力船舶很可能在2030年前就開始建造。

致力于開發(fā)海上先進核能技術(shù)的英國海洋工程公司Core-Power創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Mikal Boe指出，英國制定核動力船舶法規(guī)“是海上新核能監(jiān)管進展的一個重要里程碑”。

Core-Power公司正在開發(fā)一種船用熔鹽反應(yīng)堆（m-MSR）類型的“原子電池”組件，可以為世界上最大的船舶提供動力，并為中小型船舶生產(chǎn)綠色合成燃料。熔鹽反應(yīng)堆可以成為開啟“第二個原子能時代”的技術(shù)，在這個時代，氣候變化是強大、廉價而安全的新能源解決方案的主要驅(qū)動力。熔鹽反應(yīng)堆具有比石油和天然氣更大的經(jīng)濟潛力，為航運業(yè)提供可持續(xù)的清潔能源，使其在不污染環(huán)境的情況下深入未來發(fā)展。

加速研發(fā)！美國船級社獲政府資助將研發(fā)核動力商船

與此同時，美國政府也已經(jīng)著手研發(fā)核動力商船。美國船級社（ABS）近期獲得美國能源部（DOE）價值80萬美元的合同，將研究在商業(yè)航運中使用核動力的可能性。

這一研究項目將解決在海上商業(yè)應(yīng)用中采用新反應(yīng)堆技術(shù)的挑戰(zhàn)。美國船級社將為海上應(yīng)用開發(fā)不同先進反應(yīng)堆技術(shù)的模型，并就現(xiàn)代核電的商業(yè)使用開發(fā)行業(yè)咨詢。新項目將由美國能源部位于愛達荷州國家實驗室的國家核反應(yīng)堆創(chuàng)新中心（NRIC）提供支持，包括提供先進的反應(yīng)堆框架以幫助建議如何進行海上核示范。

美國船級社全球工程和技術(shù)高級副總裁Patrick Ryan表示：“現(xiàn)代核技術(shù)越來越多地被認為是解決航運業(yè)脫碳挑戰(zhàn)的潛在方案。這項技術(shù)無疑具有潛力，無論是在減排方面，還是在美國造船廠及其供應(yīng)鏈利用國家投資發(fā)展陸地核能方面。然而，許多問題需要得到解答，關(guān)鍵是業(yè)界能夠以安全為重點評估這些技術(shù)。”

NRIC主任Ashley Finan指出：“國家實驗室系統(tǒng)具有強大的能力——當(dāng)我們與工業(yè)界合作時，我們可以聯(lián)合應(yīng)用這些能力來應(yīng)對我們的能源挑戰(zhàn)，而NRIC的創(chuàng)建就是為了使這一目標(biāo)更快實現(xiàn)。在減少航運業(yè)碳排放方面存在著巨大的機遇，海事和先進核能部門對此也越來越感興趣，我們很高興能夠參與這項重要工作。”

2019年，美國能源部（DOE）宣布在《核能創(chuàng)新能力法案》框架下成立一個由愛達荷國家實驗室領(lǐng)導(dǎo)的“國家核反應(yīng)堆創(chuàng)新中心（NRIC）” ，旨在為私營企業(yè)反應(yīng)堆技術(shù)開發(fā)商提供獲得使用DOE國家實驗室戰(zhàn)略基礎(chǔ)實驗設(shè)施的途徑，助力私營開發(fā)商新概念核反應(yīng)堆技術(shù)研發(fā)、示范和評估，以加速新概念反應(yīng)堆技術(shù)的許可和商業(yè)化進程，從而為新概念核反應(yīng)堆構(gòu)建一條從概念原型到商用產(chǎn)品的經(jīng)濟快速成熟的轉(zhuǎn)化路徑。

NRIC的建立有助于將核技術(shù)相關(guān)的企業(yè)、聯(lián)邦政府機構(gòu)、國家實驗室和大學(xué)整合起來，讓他們聯(lián)合開展新概念先進反應(yīng)堆設(shè)計、研發(fā)、測試和示范工作；同時能夠為新概念反應(yīng)堆技術(shù)的測試、演示和性能評估提供充足的條件支持，以加速新的先進概念核反應(yīng)堆技術(shù)的商業(yè)化部署。

熔鹽反應(yīng)堆的概念是引起廣泛關(guān)注的技術(shù)之一。據(jù)悉，美國能源部還與美國船級社簽訂了另一份金額較小的合同，支持得克薩斯大學(xué)正在進行的熔鹽反應(yīng)堆研究。

美國最早嘗試核動力商船，俄羅斯運營全球唯一核動力破冰船船隊

雖然核能早在1950年代就被認為具有巨大的海洋工業(yè)潛力，但卻由于全球安全問題和船上系統(tǒng)操作方面的挑戰(zhàn)而未能得到發(fā)展。盡管軍艦已經(jīng)成功采用了核動力推進，但是在商船方面的應(yīng)用除了幾艘實驗船外還沒有任何發(fā)展。

第二次世界大戰(zhàn)之后，美國的革命雄心及對“冷戰(zhàn)”的忌憚，使其決心建造核動力商船。“Savannah”號就出現(xiàn)在這個特殊的時代。“Savannah”號于1958年開始建造(當(dāng)時蘇聯(lián)建造的世界上第一艘核動力破冰船“列寧”號已經(jīng)完工)，并于1963年投入使用。據(jù)國際船舶網(wǎng)了解，該船長182米，型寬24米，滿載排水量為21800噸，動力系統(tǒng)采用壓水反應(yīng)堆，汽輪機額定功率約為16MW，設(shè)計航速20節(jié)，填裝一次燃料即可以航行300萬海里左右，相當(dāng)于繞地球138周。

“Savannah”號主要是為了展示民用核動力，這是世界上第一艘核動力商船，該船成功試用了功率2萬馬力的核動力裝置。不過，作為商船而言，這艘船規(guī)模太小成本又很高，無法經(jīng)濟地運營，既不是高效的貨船，也不是可行的客船。囿于高昂的建造和使用成本，以及潛在的安全風(fēng)險，美國及“Savannah”號所計劃的更長遠的商業(yè)用途沒能持久，隨著該輪于1971年退役，美國將核能作為商船動力系統(tǒng)的革命性主張被迫宣告失敗。

1960年，德國建造首艘核動力油船“Otto Hahn”輪，后因種種因素，該船成為一艘更具戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟效益的散貨船，于1968年投入使用，成為繼蘇聯(lián)“列寧”號(核動力破冰船)和美國“Savannah”號之后世界上第三艘民用核動力船。據(jù)國際船舶網(wǎng)了解，“Otto Hahn”輪滿載排水量為16870噸，配備一臺38MW的壓水反應(yīng)堆來驅(qū)動蒸汽輪機，最大設(shè)計航速17節(jié)。1970年，“Otto Hahn”輪首航摩洛哥，在隨后的兩年中，依靠22公斤的濃縮鈾燃料，完成了約25萬海里的航程。

作為核動力商船，“Otto Hahn”輪在10年間的126次航行中航行了約65萬海里，運營期間共計在22個國家�？苛�33座港口(主要�？扛畚挥诜侵藓湍厦乐�)，沒有出現(xiàn)任何技術(shù)問題。但最終還是因為核動力船固有的高昂成本和安全隱患退出運營，1982年，船東拆除了當(dāng)時已經(jīng)退役的“Otto Hahn”輪的核反應(yīng)堆，將其改造成一艘常規(guī)動力(柴油動力)集裝箱船，并于2004年結(jié)束商業(yè)運營。

1972年，日本完成了核動力商船“Mutsu”號，但這艘船實際從未裝載過商業(yè)貨物，首次試航期間，其反應(yīng)堆出現(xiàn)嚴重的輻射泄露，遭到了日本民眾的抗議。1992年，“Mutsu”號返回日本之后退役。1995年，“Mutsu”號的核反應(yīng)堆被拆除，隨之被改裝成為一艘常規(guī)動力海洋探測船“Mirai”號。

除了軍用艦艇和破冰船等船舶外，目前全球唯一在運營核動力商船是俄羅斯的“Sevmorput”號。據(jù)國際船舶網(wǎng)了解，該船由烏克蘭Zaliv Shipyard建造，在1988年交付，2012年曾一度停止使用，之后又于2016年重新投入運營，主要承擔(dān)俄羅斯北極基地人員及貨物運輸?shù)热蝿?wù)。去年，該船還曾向位于孟加拉國的路布爾核電站運輸重達1400噸的物資。

“Sevmorput”號總長260.3米，型寬32.2米，吃水11.8米，載重量約3.4萬噸，設(shè)計載箱量1328TEU，搭載1臺輸出功率達135兆瓦的“KLT-40”型核裂變反應(yīng)堆，航速20.8節(jié)。

另外，俄羅斯還運營著目前世界上唯一一支核動力破冰船船隊。事實證明，北極地區(qū)的核動力破冰船在技術(shù)上和經(jīng)濟上都是可行的，這些船舶可以在沒有燃料補給的情況下運行多年，而且擁有強大的發(fā)動機，非常適合破冰任務(wù)。

對于商船領(lǐng)域而言，核動力船舶需要承擔(dān)專門基礎(chǔ)設(shè)施的費用。舉例而言，美國核動力商船“NS Savannah”號的運營成本極高，因為這是唯一使用專門的核岸上工作人員和服務(wù)設(shè)施的船舶。不過，如果船隊規(guī)模更大，就可以在更多的運營船舶之間分擔(dān)固定成本，從而降低運營成本。