商船做了60多年的核动力梦，什么时候能成真?
www.163.com 2023-12-15 18:00
出品|网易新闻
导语：12月5日，中国船舶集团江南造船发布全球最大24000TEU级核动力集装箱船船型设计。该船采用第四代堆型钍基熔盐反应堆解决方案，15-20年更换一次“电池”。无需添加燃料、动力强劲、几乎零排放的核动力商船为什么60多年都发展不起来?
江南造船发布的24000TEU级核动力集装箱船设计图
一、核动力商船60多年的发展更像场“梦”
1954年美国建成世界上第一艘核动力潜艇——“鹦鹉螺”号核潜艇，开辟了船用核动力技术发展的新纪元。截止到目前，全世界共建造了 500 余艘核动力船舶。除研建各型核动力军舰外，很早就开始核动力民用商船的探索，但是并不顺利。
“鹦鹉螺”号核潜艇
早在1957年苏联成功建造世界上第一艘核动力破冰船“列宁”号(Lenin)，比苏联第一艘核潜艇“列宁共青团”号下水服役还早了一年。
“列宁”号核动力破冰船
1962年，美国就成功建造了世界上首艘核动力商船“萨瓦纳”号(Savannah),之后德国的“奥托·汉”号、日本的“陆奥”号核动力商船先后进行了探索性应用。
与核动力舰艇为满足国防战略的军事布局不同，集装箱船和油船等大型商用运输船的目的主要是为了赚钱。但是由于核动力商船需要专门码头进行维护、保障、装卸核燃料等，受运营成本、经济效益以及安全性等等影响，现阶段，除俄罗斯还在长期运营核动力破冰船队外，其他核商船都被迫退役了。
世界各国退役的核动力商船
二、世界各国重启核动力商船布局
进入21世纪在全球节能减排的大背景下，第四代核技术已日臻成熟，具备大规模应用的条件，无需添加燃料、动力强劲、几乎零排放的核动力商船再次成为全球焦点。
2020年，由比尔·盖茨担任董事会主席的TerraPower公司与英国Core-Power公司、法国Orano公司以及美国南方电力公司(SouthernCompany)共同开发熔盐反应堆(MSR)原子技术，用以推进核动力商船的应用进程。此外美国船级社(ABS)于2022年获得了美国能源部(DOE)价值80万美元的合同，用以研究在商业航运中使用核动力的可能性。
核动力商船效果图
2021年，韩国三星重工(SHI)宣布，将与韩国国家原子能研究院(KAERI)联合研发搭载小型模块型熔盐燃料反应堆的核动力商船。
2022年总部位于挪威的全球知名船舶设计公司乌斯坦(Ulstein)，发布了一款名叫“Thor”的钍熔盐反应堆(MSR)概念船。作为一艘 149 米长的船只，其主打补给、研究与救援用途。
核动力 Thor“3R”概念船渲染图
为实现大型船舶的碳中和，从长远来看, 熔盐反应器对商业航运最具潜力。推出中国自己的核动力商船是中国海运业界今后确保全球竞争力必须解决的课题，也是关系到今后业界命运的问题。
三、核动力商船的技术可行性
1) “烧开水”是当下船用核动力的绝对主流
船用核动力技术发展已有60 余年历史中，世界各国曾成功运用在船舶上的核动力类型主要包括压水堆核动力装置和液态金属堆(钠和铅铋)核动力装置。
目前世界上在役和在建的船用核动力装置均为压水堆核动力装置，其工作原理也就是“烧开水”为：一回路水将反应堆核裂变产生的热量带出，通过蒸汽发生器将热量传递给二回路水，使之转化为蒸汽，推动汽轮机发电或直接驱动螺旋桨。
压水式舰船核推进系统示意图
对于液态金属堆而言，其显著的优点是液态金属传热效率高，可运行于低压环境下，可使核动力装置的体积和重量大幅减少;但是它们对材料耐腐蚀性等有很高的要求，并且由于液态金属熔点较高，需要专门的加热装置以维持其液体状态，这给反应堆的运行和维修等带来了许多新的问题。由于多种原因，已于20世纪退役。
随着全球核电技术的持续进步，采用钍液态金属堆核动力装置的第四代核技术再度进入各国视野，并有望成为未来商船核动力的主流发展趋势。
2)为什么钍基熔盐反应堆更适合商业化?
熔盐燃料反应堆是先进四代堆中唯一的液态燃料反应堆，使用熔融的混合盐同时作为核燃料载体和反应堆冷却剂。
熔盐反应堆发电站原理示意图
熔盐反应堆是70年前美国的像素实验室率先开始研究的。但由于当时的熔盐反应效率较低且不适合生产武器级核燃料，于是美国人放弃了这一技术路线。而我国从1970年代开始就非常重视钍基熔盐反应堆的研究，中国是首个尝试将该新型反应堆商业化的国家。
钍通常与稀土金属和铪等金属的氧化物共生
因为自然界中的铀235非常稀少，而钍是相对放射性较弱的金属，在稀土采矿业的废料中就有钍的存在，我国的总储量约28～30万吨，居世界前列，钍的能量密度极高，因此是铀的的替代品之一，解决我国铀资源不足的问题。
船用核动力的发展遵循了从试验堆到试验艇，通过不断改进与优化，最后成熟推广的发展思路，所以将核能应用于船舶和应用于发电的设想几乎是同时产生的。
钍将全部转化为铀-233作为燃料消耗殆尽
钍不能直接使用，它要先通过核反应将其转化成铀-233再使用，通常天然核燃料和可转化核燃料熔融于同时作为冷却剂的高温氟化盐中，在反应堆内部和外部进行循环，使核燃料燃烧更充分，即形成钍铀核燃料循环，由此成为第四代钍基熔盐核电堆。
2023年6月7日国家核安全局为中国科学院上海应用物理研究所。授予核反应堆运行许可证，上面提到了甘肃省的钍基熔盐反应堆正式开始运行，有效期为十年。
钍基熔盐核反应堆运行许可证
这种钍盐混合物混合物既是冷却剂、又是钍容器 ， 作为一个处于标准大气压下的熔盐反应堆，它只能在高温下工作，一旦发生意外，燃料就会自动凝固阻止核反应的继续发生，从而保证了安全。钍进行核能发电产生的危险废料也相对较少，仅为铀的万分之一，并且可以在100年内衰退为没有放射性的物质。
在实际应用方面，钍基熔盐堆核能系统的转热效率更高。现有的主流反应堆热转换效率仅为33%，而钍基熔盐堆核能系统达到了45%~50%，实现了质的飞跃。
四、核动力商船的经济可行性
根据此前各国核动力商船的运营经验，经济性是制约核动力商船大规模发展的又一重要因素。然而，当下不断上涨原油价格已接近商船运营的成本平衡点。
燃料成本是船舶行业脱碳难题的核心，据统计24000个集装箱的超级货轮一天就能消耗掉200吨燃油，1年下来轻轻松松消耗2万吨以上。
无法忽视熔盐反应堆技术安装在船上的成本还相当昂贵，但基于高油价和核动力商船使用周期的拉长，二者的成本差距已逐渐缩小。
newcleo设计的封闭微型反应堆
荷兰C-Job公司近期发布的研究成果显示，虽然核动力商船的研发成本较高，但采用核动力推进系统的船舶能够在5到15年内具有成本效益，核动力将成为未来大型、超大型远洋商船的最佳选择。
Core-Power公司也为此算了一笔账，以马士基的Triple-E型18000TEU集装箱船为例：使用极低硫燃料油(VLSFO)成本支出(包括资本和运营支出)20年超过9.5亿美元。但如果采用熔盐反应堆的话成本可降低30%，而如果和氨燃料相比，成本可能要低70%以上。
在挪威船级社(DNV)发布的核聚变商船成本预估中，油船使用低硫燃料油、氨燃料和熔盐反应堆的年度运营支出分别为1796万美元、3234万美元和340万美元。
五、谨用核能，核动力商船还有很长路要走
安全使用核能是第一要务，潜在的辐射泄漏或碰撞可能引起的爆炸是我们大众无法承受的。
据统计，国外船用反应堆共发生过40 余次核事故，美国除钠冷堆以外，压水堆发生的事故约10 起，主要是由各类管道及设备故障引起的冷却剂泄漏事故。前苏联/俄罗斯除铅、铋堆以外，压水堆发生的事故约有20 起，主要是由各类设备故障引起的失水事故或人为误操作引起的反应性事故。随着核安全文化越来越受重视以及技术水平的提升，核事故发生频率呈快速下降趋势。
美国、前苏联/俄罗斯船用反应堆核事故发生次数统计
据美国能源部发起的“第四代国际论坛”(GIF)关于第四代核反应堆描述，第四代核堆之“六大金刚”：超高温气冷堆、气冷快堆、钠冷快堆、熔盐堆、超临界水冷堆和铅冷快堆。封闭式燃料循环是第四代概念的主要优势。
第四代核反应堆特征
根据美国麻省理工学院“核的未来”的研究，封闭式燃料循环的废料管理优势，但是封闭循环的燃料成本，包括废物储存和处置费用，大约是一次循环成本的4.5倍。即便核工业的废物在一个封闭循环情景下也只能减少，但仍远未得到解决，到目前为止，这六个反应堆技术概念要达到第四代的目标还尚需时日。
结语：
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