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皇冠正网会员开户:全球开展民用核动力船舶研究,谁能领航未来的商业化应用?

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无需添加燃料,动力强劲,几乎零排放。随着全球航运业脱碳化的趋势,加上民用核技术的不断创新,曾一度被视为高成本高风险的核动力商船开始重新进入视野,大型远洋船舶的核动力时代正在来临。


我们一起来聊聊核动力船舶商业化应用的那些事!


曾经:“无限续航”未能实现


E=MC²,伟大的阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)在《论动体的电动力学》中提出的著名的质能公式,表述了能量可以用很小的质量去创造——因为光速实在太大,即便质量非常小,作用于方程时也可忽略不计。质能公式及后人根据其展开的延伸研究,使得诸多领域得到了前所未有的革新,当然,也包括造船业和航运业。


美国巴尔的摩港东南部的一个码头泊位,停靠着一艘具有传奇色彩的船舶——“萨凡纳”轮(NS Savannah,NS为Nuclear Ship的缩写)。这是全球首艘以核能为动力的民用商船。相关历史资料显示,在美国航运史上,只有两艘以“萨凡纳”命名的船舶,第一艘是在风帆时代首次实现了横跨大西洋航行的蒸汽动力船。我们很容易联想到一点,这第二艘“萨凡纳”轮,似乎寄托了当时美国对于革命造船与航运的希望。


世界上第一艘核动力商船“Savannah”号


压水反应堆利用轻水作为冷却剂和中子慢化剂,由核反应堆中的核燃料进行链式核反应并产生高温,将反应堆内密闭循环的纯净水变为蒸汽后经喷嘴加速变为蒸汽流,推动汽轮机运转。汽轮机的转速经过减速齿轮减速后,带动螺旋桨。能量转换过程大致为核能-热能-机械能-动能。


从参数上看,“萨凡纳”轮确实能够极大地提升商船的运输效率。然而,其存在的问题也逐渐显现出来。首先,“萨凡纳”轮搭载的整个核动力系统体积过大,推进装置重达1150吨,密封壳与屏蔽防护装置、反应堆系统分别重达1900吨和600吨,而在当时,一般货船的动力系统重量最多只为几百吨。在船长、型宽和吃水固定的情况下,“萨凡纳”轮的储货空间被大大压减,以至于最大负载量仅约为8500吨。远洋运输船的优势在于装载货量多,而“萨凡纳”轮的载货量反而使其失去了特点。其次,“萨凡纳”轮的建造和运营成本颇高。为了研制这艘核动力商船,美国至少花费了1亿英镑(按1960年汇率<1美元=0.3571英镑计算,约合2.8亿美元),其中,核动力装置的研制成本约为3000万英镑(8400万美元),而制造成本则高达7000万英镑(1.96亿美元)。要知道,1960年美国国内生产总值(GDP)只为5433亿美元左右。不仅如此,“萨凡纳”轮的运营维护成本也过高。当时,一艘2万载重吨级的货船所需船员约20名,而“萨凡纳”轮则需120多名船员才能使其正常运转,加之核动力的特殊性,更换燃料和维修所需的费用都远远超过普通货船。更重要的是,在上世纪70-80年代发生一系列核事故后,核能在世人心中的革新性被恐惧替代,特别是日本,既被核武 器攻击,本国核电站也曾发生过泄漏,因此当“萨凡纳”轮请求在日本港口靠泊时,日本果断拒绝。


囿于高昂的建造和使用成本,以及潜在的安全风险,美国及“萨凡纳”轮所计划的更长远的商业用途没能持久,随着该轮于1971年退役,美国将核能作为商船动力系统的革命性主张被迫宣告失败。


现在:全球开展民用核动力船舶研究


虽然核动力在很长一段时间里都不被视为可行的商船动力选择,但近年来在脱碳化趋势下,核动力作为船用燃料再次获得关注。荷兰船舶设计与工程公司C-Job Naval Architects最近披露的一项新研究显示,核能在未来可以作为船舶推进使用,而大型远洋船舶正是核动力推进的最佳选择。


C-Job创建了散货船、集装箱船、油船和海工船四个不同的船型概念,分析了能源储存和发电系统的质量和体积等关键问题。结果表明,即使反应堆周围的屏蔽层在核发电系统各自的质量和体积中占很大一部分,但在大多数情况下核电方案比传统的船用柴油方案更轻、更紧凑。


根据这项研究,C-Job得出结论,从长远来看熔盐反应堆的潜力最大,被动安全、高燃耗以及未来使用钍循环的潜力的结合,使其最适合海事应用。与基于传统燃料的系统相比,核动力船舶可以减少高达98%的二氧化碳排放,此外硫氧化物、颗粒物、氮氧化物等空气污染也能够完全消除。


虽然核动力船的资本支出很高,但C-Job的研究显示,核动力船能够在五到十五年内具有成本效益,具体取决于燃料成本和船舶运行状况。同时,核动力船提供了考虑更高设计速度的可能性,从而使船舶更加有利可图。这是因为燃料成本(OPEX)只会随着航速的提高而略有增长,而最终的主要限制因素是更大功率的装置的资本支出。


2020年,微软创始人比尔盖茨所创办的核能公司泰拉能源(Terrapower)与Core-Power、法国核材料处理专家Orano和美国南方电力公司(Southern Company)合资成立一家新公司,计划在美国开发熔盐反应堆原子能技术。


去年6月,韩国三星重工宣布将与韩国国家原子能研究院联合研发搭载小型模块型熔盐反应堆的核动力船舶。三星重工计划将熔盐反应堆与目前正在研发中的氨能、氢能技术一起进行集中研发,使其成为三星重工新的未来增长动力。


去年11月,日本邮船、日本造船联合(JMU)以及DNV合作研发了配备核聚变反应堆的20000TEU超大型集装箱船概念设计。该型船计划搭载的核聚变反应堆很可能采用加拿大通用聚变公司(General Fusion)正在研发的磁化靶聚变(MTF)技术。


今年4月,挪威乌斯坦(Ulstein)集团推出了名为雷神(Thor)的核动力零排放船舶设计。雷神为海上补给、科考、救助船,其动力来源为钍基熔盐堆核能系统(Thorium Molten Salt Reactor)。该船还可以作为移动“充电站”,为航行在海上的其他船舶进行充电补给。


里程碑!核能支持商船使用的法规


近日,英国交通部通过了海事和海岸警卫队(MCA)制定的目标,计划在今年晚些时候颁布《商船(核动力船舶)条例》,以支持在商船运输中使用核能。该法规预计将于2022年11月生效,实施SOLAS第七章的要求,该章节编纂了《核规则( Nuclear Code)》的建造和运营标准。虽然这主要是将《国际海上人命安全公约》(SOLAS)的内容纳入英国法律的技术性举措,但这对提供必要的结构支持至关重要,并被视为商业行业对核动力产生新兴趣的标志。


根据MCA的说法,该法规以及与美国等其他国家的紧密联系,将增加实现挂英国船旗的核动力商船的可能性。


该法规定颁布将完成英国多年来的努力,旨在使核能成为商业航运的一个选择。在公布了拟议的法规后,MCA进行了一段咨询期,允许业界对该法规提供意见。MCA特别提出了一系列问题,以确定人们的兴趣、规则的必要性、规则的后果以及满足规则所载调查和检查制度的困难。


据悉,总共有14家公司答复了MCA,包括船级社、航运组织、研究公司和商业航运公司。在14家公司中,有11家同意MCA的观点,即在未来10年内对核动力船舶有兴趣,特别是对核动力大型远洋的兴趣越来越大。这些公司大多也同意MCA的观点,即在2030年之前,新的或现有的核动力船舶不太可能在英国注册。然而,大多数受访者也表示,核动力船舶很可能在2030年前就开始建造。


致力于开发海上先进核能技术的英国海洋工程公司Core-Power创始人兼首席执行官Mikal Boe指出,英国制定核动力船舶法规“是海上新核能监管进展的一个重要里程碑”。


Core-Power公司正在开发一种船用熔盐反应堆(m-MSR)类型的“原子电池”组件,可以为世界上最大的船舶提供动力,并为中小型船舶生产绿色合成燃料。熔盐反应堆可以成为开启“第二个原子能时代”的技术,在这个时代,气候变化是强大、廉价而安全的新能源解决方案的主要驱动力。熔盐反应堆具有比石油和天然气更大的经济潜力,为航运业提供可持续的清洁能源,使其在不污染环境的情况下深入未来发展。


加速研发!美国船级社获政府资助将研发核动力商船


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与此同时,美国政府也已经着手研发核动力商船。美国船级社(ABS)近期获得美国能源部(DOE)价值80万美元的合同,将研究在商业航运中使用核动力的可能性。


这一研究项目将解决在海上商业应用中采用新反应堆技术的挑战。美国船级社将为海上应用开发不同先进反应堆技术的模型,并就现代核电的商业使用开发行业咨询。新项目将由美国能源部位于爱达荷州国家实验室的国家核反应堆创新中心(NRIC)提供支持,包括提供先进的反应堆框架以帮助建议如何进行海上核示范。


美国船级社全球工程和技术高级副总裁Patrick Ryan表示:“现代核技术越来越多地被认为是解决航运业脱碳挑战的潜在方案。这项技术无疑具有潜力,无论是在减排方面,还是在美国造船厂及其供应链利用国家投资发展陆地核能方面。然而,许多问题需要得到解答,关键是业界能够以安全为重点评估这些技术。”


NRIC主任Ashley Finan指出:“国家实验室系统具有强大的能力——当我们与工业界合作时,我们可以联合应用这些能力来应对我们的能源挑战,而NRIC的创建就是为了使这一目标更快实现。在减少航运业碳排放方面存在着巨大的机遇,海事和先进核能部门对此也越来越感兴趣,我们很高兴能够参与这项重要工作。”



2019年,美国能源部(DOE)宣布在《核能创新能力法案》框架下成立一个由爱达荷国家实验室领导的“国家核反应堆创新中心(NRIC)” ,旨在为私营企业反应堆技术开发商提供获得使用DOE国家实验室战略基础实验设施的途径,助力私营开发商新概念核反应堆技术研发、示范和评估,以加速新概念反应堆技术的许可和商业化进程,从而为新概念核反应堆构建一条从概念原型到商用产品的经济快速成熟的转化路径。


NRIC的建立有助于将核技术相关的企业、联邦政府机构、国家实验室和大学整合起来,让他们联合开展新概念先进反应堆设计、研发、测试和示范工作;同时能够为新概念反应堆技术的测试、演示和性能评估提供充足的条件支持,以加速新的先进概念核反应堆技术的商业化部署。


熔盐反应堆的概念是引起广泛关注的技术之一。据悉,美国能源部还与美国船级社签订了另一份金额较小的合同,支持得克萨斯大学正在进行的熔盐反应堆研究。


进展:美俄走在世界前列


虽然核能早在1950年代就被认为具有巨大的海洋工业潜力,但却由于全球安全问题和船上系统操作方面的挑战而未能得到发展。尽管军舰已经成功采用了核动力推进,但是在商船方面的应用除了几艘实验船外还没有任何发展。


第二次世界大战之后,美国的革命雄心及对“冷战”的忌惮,使其决心建造核动力商船。“Savannah”号就出现在这个特殊的时代。“Savannah”号于1958年开始建造(当时苏联建造的世界上第一艘核动力破冰船“列宁”号已经完工),并于1963年投入使用。据国际船舶网了解,该船长182米,型宽24米,满载排水量为21800吨,动力系统采用压水反应堆,汽轮机额定功率约为16MW,设计航速20节,填装一次燃料即可以航行300万海里左右,相当于绕地球138周。


“Savannah”号主要是为了展示民用核动力,这是世界上第一艘核动力商船,该船成功试用了功率2万马力的核动力装置。不过,作为商船而言,这艘船规模太小成本又很高,无法经济地运营,既不是高效的货船,也不是可行的客船。囿于高昂的建造和使用成本,以及潜在的安全风险,美国及“Savannah”号所计划的更长远的商业用途没能持久,随着该轮于1971年退役,美国将核能作为商船动力系统的革命性主张被迫宣告失败。


美国能源部已授予ABS船级社一份80万美元的合同,研究在商业船舶上采用核动力推进的技术问题。


根据ABS的说法,研究项目将解决在商业海运中采用新式反应堆的技术挑战,ABS将开发适用于商船的不同反应堆技术模型,并就现代核电的商业用途制定行业咨询。


据了解,位于爱达荷州国家实验室的美国能源部国家反应堆创新中心(NRIC)将对ABS的研究项目提供支持。NRIC将提供先进的反应堆框架,以帮助提出如何进行海上核示范。


航运业应用核能的关键技术之一是熔盐反应堆。在另一个独立的小型项目中,美国能源部与ABS签订了合同,以支持德克萨斯大学正在进行的熔盐反应堆研究。


ABS发言人表示,现代核技术逐渐被认为是解决航运减排问题的一个潜在方案,但航运业如何安全应用核技术是一个重大挑战,“有许多问题需要回答”。


1960年,德国建造首艘核动力油船“Otto Hahn”轮,后因种种因素,该船成为一艘更具战略意义和经济效益的散货船,于1968年投入使用,成为继苏联“列宁”号(核动力破冰船)和美国“Savannah”号之后世界上第三艘民用核动力船。据国际船舶网了解,“Otto Hahn”轮满载排水量为16870吨,配备一台38MW的压水反应堆来驱动蒸汽轮机,最大设计航速17节。1970年,“Otto Hahn”轮首航摩洛哥,在随后的两年中,依靠22公斤的浓缩铀燃料,完成了约25万海里的航程。


作为核动力商船,“Otto Hahn”轮在10年间的126次航行中航行了约65万海里,运营期间共计在22个国家停靠了33座港口(主要停靠港位于非洲和南美洲),没有出现任何技术问题。但最终还是因为核动力船固有的高昂成本和安全隐患退出运营,1982年,船东拆除了当时已经退役的“Otto Hahn”轮的核反应堆,将其改造成一艘常规动力(柴油动力)集装箱船,并于2004年结束商业运营。



1972年,日本完成了核动力商船“Mutsu”号,但这艘船实际从未装载过商业货物,首次试航期间,其反应堆出现严重的辐射泄露,遭到了日本民众的抗议。1992年,“Mutsu”号返回日本之后退役。1995年,“Mutsu”号的核反应堆被拆除,随之被改装成为一艘常规动力海洋探测船“Mirai”号。


除了军用舰艇和破冰船等船舶外,目前全球唯一在运营核动力商船是俄罗斯的“Sevmorput”号。据了解,该船由乌克兰Zaliv Shipyard建造,在1988年交付,2012年曾一度停止使用,之后又于2016年重新投入运营,主要承担俄罗斯北极基地人员及货物运输等任务。去年,该船还曾向位于孟加拉国的路布尔核电站运输重达1400吨的物资。


“Sevmorput”号总长260.3米,型宽32.2米,吃水11.8米,载重量约3.4万吨,设计载箱量1328TEU,搭载1台输出功率达135兆瓦的“KLT-40”型核裂变反应堆,航速20.8节。


另外,俄罗斯还运营着目前世界上唯一一支核动力破冰船船队。事实证明,北极地区的核动力破冰船在技术上和经济上都是可行的,这些船舶可以在没有燃料补给的情况下运行多年,而且拥有强大的发动机,非常适合破冰任务。


对于商船领域而言,核动力船舶需要承担专门基础设施的费用。举例而言,美国核动力商船“NS Savannah”号的运营成本极高,因为这是唯一使用专门的核岸上工作人员和服务设施的船舶。不过,如果船队规模更大,就可以在更多的运营船舶之间分担固定成本,从而降低运营成本。



来源:国际船舶网,中国船检杂志社,龙de船人

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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