民用船舶的核动力选择

民用船舶的核动力选择

民用船舶的核动力选择

来源：中国船检

随着全球石化能源逐渐减少和远洋航运废气排放对世界范围内环境安全的冲击加剧，以核动力为主动力装置来替换现有普遍应用的常规燃油主动力装置，已成为船舶技术发展的又一尝试。

2007年10月，国际科学院委员会(IAC)发表了《未来之路：向可持续能源迈进》和中国科学院(CAS)发表了《应对挑战––构建可持续能源体系》，这两份报告建议：远期到2050年前后，我国总体能源供给结构上对化石能源的依赖度降低到60%以下，可再生能源和核能成为主导能源。从报告来看，国家对于发展核能是持肯定态度的，而民用核动力船舶的开发作为核能综合利用的一个方面，同样具有发展前景。同时，民用核动力船舶的经济性、技术可行性以及安全性方面的问题备受关注。

核能船舶的发展状况

发展民用核动力船舶，对我国船舶行业而言是一个崭新的课题，但是纵观世界船舶发展史，可以发现已经有若干国家在此方面迈出了第一步，其历程如图所示。

美国“萨娃娜”号于1962年建成，在其商务部海运局的支持下进行商业运营。该船于1964年5月开始进行国际航海，停靠了欧洲14个国家的16个港口。到1965年8月，在达到对核动力民用商船的建造目的后，改为货船投入航行，并得到政府的运营补贴，在欧洲航线航行。1976年6月抵达韩国、台湾、菲律宾等远东地区。1968年9月进行核燃料的换料，又相继投入商业航行，1970年宣布退役。

德国矿石运输船“奥托汉”号于1968年月12月建成。1969年3月到11月在围绕英国一周以及在南太平洋（赤道附近）、北极海、西太平洋（西印度群岛）进行了实验航海。从1970年2月开始投入商业航海，运输摩洛哥的磷矿石、伊朗的铬矿石、阿根廷的谷物货物等。在此期间，在国外访问了22个国家的33个港口，到1979年2月停运，航行了约60万海里（111万公里）。

日本“陆奥”号在1974年8月28日开始的功率提升试验过程中发生了放射性泄漏事

故。其后对反应堆屏蔽进行改造及安全总检查，并改变了用途，作为核动力实验船重新进行了功率提升试验。1991年在北太平洋海面上进行了4次实验航海，1995年完成退役工程。

俄罗斯共建成了9艘核动力破冰船，即列宁号（Lenin）、阿尔库奇卡号（Arctica）、西伯利亚号（Sibir）、俄罗斯号（Rossiya）、塞布摩尔卜奇号(集装箱破冰船)（Sevmorput）、泰米尔号(河流破冰船)（Taimyr）、苏维埃斯克号（Sovetsky·Soyuz）、瓦伊加奇号(河流破冰船)（Vaigachi）以及亚马尔号（Yamal）。其中，列宁号已退役，乌拉尔号（Ural）下水后，基于当时的石油价格造成的经济成本原因，建造中断。目前正在服役的有8艘，计划建造的破冰船有2艘，即超级号破冰船（Super Icebreaker，破冰能力在3.5m以上）和佩贝克（Pevek）号破冰船。

从以上民用核动力船舶的运营状况可以看出：所建成的核动力船舶除了日本“陆奥”号没有进行航运营运外，其余船舶全部投入了实际的商业运营，并且期间并未因核动力装置的技术问题导致重大的海事事故。就其整个运行期的数据而言，美国“萨娃娜”号和德国“奥托汉”号均有到国外港口停靠的记录，而上述被抵达港也对上述核动力商船的停靠采取了接纳态度。事实上，日本“陆奥”号所发生的放射性事故并不是很严重，在技术上完全处于可控范围内，只是因为亲历核灾难的日本国民对核事故极度敏感，才最终导致了该船的夭折。

可以说，早期核动力商船在技术上已经是成熟的，运营上也是成功的。至于“奥托汉”号后来换为常规柴油机动力装置，主要是由于当时的油价偏低，从当时的运营成本上比较，核动力不具有压倒性的优势。如国际原油市场震荡，再次出现上世纪70年代席卷全球的石油危机事件，而相对的国际铀价又在相当长的时期里趋于稳定，则核动力商船的经济优势无疑将凸显出来。

经济性及技术可行性

核能在利用时，其所表现出的能量优势十分显著。据计算，1公斤可裂变物质铀完全分裂所产生的能量，相当于2100吨燃油充分燃烧后所得到的能量。这也就是说，核燃料所包含的能量，大体相当于本身重量210万倍的燃油的能量。在研究发展民用核动力船舶过程中，可参考国内外发展核动力装备时所积累的大量经验和数据，以期在继承已有技术基础并提高切入点的前提下，进而有效控制总体工程项目的实际成本投入。

一艘技术状况良好的5100TEU集装箱船，其主要数据如表1所示。以21节速度航行，每天约消耗125吨燃油，该船每年航行以7500小时、燃油单价以300USD/吨计，则全年燃油成本约为28125万美元。若采用压水型核动力推进装置，仅需消耗60克重的U235核燃料，所携带的核燃料二氧化铀，最多也只需510千克左右，全年核原料成本约为4万美元。仅从燃油成本一项，全年约节省28120万美元。此外，除去核动力装置及相关配套系统所占空间和重量等因素的影响，仅在利用原船用燃油存储空间所带来的船体复杂程度降低和载运量增加这两方面，其总体能源有效利用的比率较之常规动力船舶也有着一定优

势。

故此，如果暂不考虑总体的初始投资，仅通过以上粗略统计数据的对比就可以发现，实际上在寻求核动力民用船舶潜在商业上的应用前景还是值得考虑的。

在技术方面，不管核动力船是民用商船，还是军用舰船，从热工水力和放射性管理方面来讲，基本都采用压水堆，且工作原理是一致的。其工作系统主要由一回路系统、二回路系统以及为保证装置正常运行、人员健康和可靠性冗余系统等组成：一回路系统位于反应堆舱。载热剂载走反应堆中核燃料裂变产生的热量，加热蒸汽发生器中二回路的水产生蒸汽。二回路系统位于机舱中的二回路中蒸汽发生器产生的蒸汽去驱动蒸汽轮机，经减速齿轮或推进电机带动螺旋桨驱动舰船前进。如图2所示为船用压水堆的三种布置方式，即分散型（也称作回路型，其反应堆压力容器、蒸汽发生器、一次系统主泵之类的一次系统设备是由较长的大直径一次系统回路管道连接。这种反应堆系统为现有发电用反应堆中普遍采用的压水堆堆型布置。采用该堆型布置的好处是便于对各种设备进行维修检查，且已具有丰富的建造和运行经验。其不足之处是占用空间大，建造过程中的安装和焊接点多，在设计上还必须考虑因大直径一回路管道破损可能引发的假想反应堆冷却剂失水事故的安全措施。）、紧凑型（也称作半一体化型，是一种将一次系统回路设备用短管直接连接挂在反应堆容器上的堆型。由于其热功率增大会受到限制，故而不适于在大型堆中采用，但与分散型堆相比，其占用空间小，建造过程中的安装和焊点少。）和一体化型（是将蒸汽发生器、一次系统主泵等带放射性的一次系统设备安装在反应堆容器内，是一种比紧凑型布置堆更小的中小型堆。反应堆容器增大了，但整个反应堆系统变得紧凑，占用的整体空间小。堆芯的自然循环冷却能力强，没有一次系统管道，防止失水事故的安全性得以提高）。

图2 船用压水堆的3种布置方式

民用核动力船舶的安全性

由于产生核事故的根本原因是反应堆内核裂变反应失控，使核反应堆系统破坏，导致向环境释放放射性物质。所以，拥有核技术的国家都将反应堆的核安全与辐射安全作为建造核动力装置安全考虑的首要问题。

在作为船舶动力源方面，核动力装置首先是被应用于军事上的。目前，核动力装置船舶主要应用在核潜艇上，水面舰艇的数量很少。为了分析反应堆运行的安全性，美国从核潜艇陆上模式堆上万个运行事件记录中随机抽取了1700个样本并结合舰艇运行的12000多个实践报告作了统计，结果发现没有一个事故或事件是直接由于反应堆芯所致，大量的事件是保险丝之类的设备小事件以及值得重视的、人为的操作顺序性错误。迄今，世界各国共建成核潜艇500余艘，经过半个多世纪的实践考验表明，核潜艇的运行是很安全的，每年每艘核潜艇的平均事故率只有2.02%左右，而且大多数属于常规设备故障。其原因应归结于压水堆的固有特性、先进的技术措施带来的问题和缺乏严格的运行管理制度。

另一方面，公众可以不必担心舰艇反应堆如原子弹一样爆炸。因为其反应堆所装的铀为低浓度铀（U235含量只有3%），而原子弹装的铀是高浓度铀（U235含量占90%以上）。危险性在于泄漏造成放射性污染，可能发生或诱发诸如堆芯烧毁这样的核事故，但这也是

可以采取多层防护措施加以预防的。英国一家研究机构的调查表明，在与核能有关的八个要素中，核安全已排列倒数第二位，而经济性上升为第一位。为此，人们关注的核安全要求必须是适度的，其对社会产生的风险，已大大小于其它替代能源、社会活动和缺乏电力可能产生的总的社会风险。

当然，作为研究、技术和工程人员应当清楚的意识到，虽然我国在核动力的利用方面已有多年经验可供参考，核电及核动力潜艇的技术业已成熟，但是作为将核动力装置应用于民用船舶上这一探索，尚未见之于世，其直接的弊端就是没有现成经验可以参考。核燃料的放射性污染这一潜在危险是客观存在的，尽管现今核能技术的发展已能保证船舶核动力装置安全运行，能够避免发生较严重的事故，然而辐射安全防护的各种措施始终应该引起足够的重视，尤其是船员更应注意科学、规范地操纵管理核动力装置。

列举以下所考虑的可能遇到的多个问题：

＊核动力船舶远洋航行的运营安全；

＊海盗防范、反恐怖袭击等；

＊国际政治环境、法律环境的不确定性；

＊核设施的退役问题；

＊相关国家港口的停靠等。

发展民用核动力船舶前景

基于国际船舶行业的现状分析，立足于国情现状，可以肯定我国船舶行业发展民用核动力是极具前景和现实意义的。对促进我国核工业产业链发展、推动我国造船业的技术进步、完善我国核动力船舶监管体系、提高我国航运整体实力、保障我国远洋运输的能源安全等方面都有不可磨灭的作用。

首先，目前我国在民用核能的利用上主要是在核电领域。核动力商船领域的开发，相当于拓宽了我国核资源的利用空间。核能的商业性运作将不仅仅局限在核电及医疗卫生方面，还促进我国核工业产业链发展。

其次，对我国造船业的技术进步起到推动作用。由于核动力装置的特殊性，其整个系统的构建和设备的配套均有别于常规动力船舶，相应的在船舶设计、建造、适航乃至最终验收交船等一系列环节都会有更高的技术要求。由此可见，借助于发展民用核动力船舶，可以有效推动国内造船业对造船技术和规范的探索，这对改变我国现有造船企业技术含量不高、产品附加值低、国际竞争力不强的被动局面有重要作用。

再有，有利于提高我国航运整体实力。开发利用核动力船舶应作为能源战略一个新方向，为我国航运企业有效降低运营成本提供了一种可能，更为提高自身在国际航运界业内的竞争力创造了有利条件。作为一个新方向和新趋势，谁先占领民用核动力船舶这个领域、谁先抢占这个市场对世界航运界来说都具有重大意义和深远影响。

另外，为我国远洋运输提供了有效能源安全保障。中国作为世界主要的石油进口国，石油消耗量巨大。由于我国的主要原油来源地的政治、经济、民族和宗教问题错综复杂，

极有可能会造成我国石油战略资源受制于人的被动局面。核动力装置的船舶取用另一种独立于石油之外的能量来源，就可以在很大程度上分散了使用单一能源的风险，提高我国远洋运输的能源利用安全抵御风险的能力，从全局来看这一点至关重要。

就现阶段的分析而言，核动力船舶极有可能成为未来航运界解决全球石油资源日渐枯竭的最终途径。面对潜在的危机和广阔的市场，理应尽早抢占行业发展的先机。当然，发展民用核动力船舶是一项需要投入巨大的国家性质的系统工程，其涉及到国家核管理机构、核能企业，船舶研究机构、航运企业及配套产业集团等诸多领域。要保证整个系统的完美运作，实现民用核动力船舶的实用化，直至最终完成整个航运业的核动力装置利用集团化、产业化、规模化这一宏伟的远景目标，是需要以整个国家的经济发展和政策扶持为基础方能实现。我们有理由相信，通过发展民用核动力船舶这个集科研探索、经济拓宽、政策完善于一体的系统工程，必将引领我国的航运事业走向光辉的明天。