商船做了60多年的核動力夢，什么時候能成真？

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導語：12月5日，中國船舶集團江南造船發布全球最大24000TEU級核動力集裝箱船船型設計。該船采用第四代堆型釷基熔鹽反應堆解決方案，15-20年更換一次“電池”。無需添加燃料、動力強勁、幾乎零排放的核動力商船為什么60多年都發展不起來？

江南造船發布的24000TEU級核動力集裝箱船設計圖

一、核動力商船60多年的發展更像場“夢”

1954年美國建成世界上第一艘核動力潛艇——“鸚鵡螺”號核潛艇，開辟了船用核動力技術發展的新紀元。截止到目前，全世界共建造了 500 余艘核動力船舶。除研建各型核動力軍艦外，很早就開始核動力民用商船的探索，但是并不順利。

“鸚鵡螺”號核潛艇

早在1957年蘇聯成功建造世界上第一艘核動力破冰船“列寧”號（Lenin），比蘇聯第一艘核潛艇“列寧共青團”號下水服役還早了一年。

“列寧”號核動力破冰船

1962年，美國就成功建造了世界上首艘核動力商船“薩瓦納”號（Savannah）,之后德國的“奧托·漢”號、日本的“陸奧”號核動力商船先后進行了探索性應用。

與核動力艦艇為滿足國防戰略的軍事布局不同，集裝箱船和油船等大型商用運輸船的目的主要是為了賺錢。但是由于核動力商船需要專門碼頭進行維護、保障、裝卸核燃料等，受運營成本、經濟效益以及安全性等等影響，現階段，除俄羅斯還在長期運營核動力破冰船隊外，其他核商船都被迫退役了。

世界各國退役的核動力商船

二、世界各國重啟核動力商船布局

進入21世紀在全球節能減排的大背景下，第四代核技術已日臻成熟，具備大規模應用的條件，無需添加燃料、動力強勁、幾乎零排放的核動力商船再次成為全球焦點。

2020年，由比爾·蓋茨擔任董事會主席的TerraPower公司與英國Core-Power公司、法國Orano公司以及美國南方電力公司（SouthernCompany）共同開發熔鹽反應堆（MSR）原子技術，用以推進核動力商船的應用進程。此外美國船級社（ABS）于2022年獲得了美國能源部（DOE）價值80萬美元的合同，用以研究在商業航運中使用核動力的可能性。

核動力商船效果圖

2021年，韓國三星重工（SHI）宣布，將與韓國國家原子能研究院（KAERI）聯合研發搭載小型模塊型熔鹽燃料反應堆的核動力商船。

2022年總部位于挪威的全球知名船舶設計公司烏斯坦(Ulstein)，發布了一款名叫“Thor”的釷熔鹽反應堆(MSR)概念船。作為一艘 149 米長的船只，其主打補給、研究與救援用途。

核動力 Thor“3R”概念船渲染圖

為實現大型船舶的碳中和，從長遠來看, 熔鹽反應器對商業航運最具潛力。推出中國自己的核動力商船是中國海運業界今后確保全球競爭力必須解決的課題，也是關系到今后業界命運的問題。

三、核動力商船的技術可行性

1） “燒開水”是當下船用核動力的絕對主流

船用核動力技術發展已有60 余年歷史中，世界各國曾成功運用在船舶上的核動力類型主要包括壓水堆核動力裝置和液態金屬堆（鈉和鉛鉍）核動力裝置。

目前世界上在役和在建的船用核動力裝置均為壓水堆核動力裝置，其工作原理也就是“燒開水”為：一回路水將反應堆核裂變產生的熱量帶出，通過蒸汽發生器將熱量傳遞給二回路水，使之轉化為蒸汽，推動汽輪機發電或直接驅動螺旋槳。

壓水式艦船核推進系統示意圖

對于液態金屬堆而言，其顯著的優點是液態金屬傳熱效率高，可運行于低壓環境下，可使核動力裝置的體積和重量大幅減少；但是它們對材料耐腐蝕性等有很高的要求，并且由于液態金屬熔點較高，需要專門的加熱裝置以維持其液體狀態，這給反應堆的運行和維修等帶來了許多新的問題。由于多種原因，已于20世紀退役。

隨著全球核電技術的持續進步，采用釷液態金屬堆核動力裝置的第四代核技術再度進入各國視野，并有望成為未來商船核動力的主流發展趨勢。

2）為什么釷基熔鹽反應堆更適合商業化？

熔鹽燃料反應堆是先進四代堆中唯一的液態燃料反應堆，使用熔融的混合鹽同時作為核燃料載體和反應堆冷卻劑。

熔鹽反應堆發電站原理示意圖

熔鹽反應堆是70年前美國的像素實驗室率先開始研究的。但由于當時的熔鹽反應效率較低且不適合生產武器級核燃料，于是美國人放棄了這一技術路線。而我國從1970年代開始就非常重視釷基熔鹽反應堆的研究，中國是首個嘗試將該新型反應堆商業化的國家。

釷通常與稀土金屬和鉿等金屬的氧化物共生

因為自然界中的鈾235非常稀少，而釷是相對放射性較弱的金屬，在稀土采礦業的廢料中就有釷的存在，我國的總儲量約28～30萬噸，居世界前列，釷的能量密度極高，因此是鈾的的替代品之一，解決我國鈾資源不足的問題。

船用核動力的發展遵循了從試驗堆到試驗艇，通過不斷改進與優化，最后成熟推廣的發展思路，所以將核能應用于船舶和應用于發電的設想幾乎是同時產生的。

釷將全部轉化為鈾-233作為燃料消耗殆盡

釷不能直接使用，它要先通過核反應將其轉化成鈾-233再使用，通常天然核燃料和可轉化核燃料熔融于同時作為冷卻劑的高溫氟化鹽中，在反應堆內部和外部進行循環，使核燃料燃燒更充分，即形成釷鈾核燃料循環，由此成為第四代釷基熔鹽核電堆。

2023年6月7日國家核安全局為中國科學院上海應用物理研究所。授予核反應堆運行許可證，上面提到了甘肅省的釷基熔鹽反應堆正式開始運行，有效期為十年。

釷基熔鹽核反應堆運行許可證

這種釷鹽混合物混合物既是冷卻劑、又是釷容器 ， 作為一個處于標準大氣壓下的熔鹽反應堆，它只能在高溫下工作，一旦發生意外，燃料就會自動凝固阻止核反應的繼續發生，從而保證了安全。釷進行核能發電產生的危險廢料也相對較少，僅為鈾的萬分之一，并且可以在100年內衰退為沒有放射性的物質。

在實際應用方面，釷基熔鹽堆核能系統的轉熱效率更高。現有的主流反應堆熱轉換效率僅為33%，而釷基熔鹽堆核能系統達到了45%~50%，實現了質的飛躍。

四、核動力商船的經濟可行性

根據此前各國核動力商船的運營經驗，經濟性是制約核動力商船大規模發展的又一重要因素。然而，當下不斷上漲原油價格已接近商船運營的成本平衡點。

燃料成本是船舶行業脫碳難題的核心，據統計24000個集裝箱的超級貨輪一天就能消耗掉200噸燃油，1年下來輕輕松松消耗2萬噸以上。

無法忽視熔鹽反應堆技術安裝在船上的成本還相當昂貴，但基于高油價和核動力商船使用周期的拉長，二者的成本差距已逐漸縮小。

newcleo設計的封閉微型反應堆

荷蘭C-Job公司近期發布的研究成果顯示，雖然核動力商船的研發成本較高，但采用核動力推進系統的船舶能夠在5到15年內具有成本效益，核動力將成為未來大型、超大型遠洋商船的最佳選擇。

Core-Power公司也為此算了一筆賬，以馬士基的Triple-E型18000TEU集裝箱船為例：使用極低硫燃料油（VLSFO）成本支出（包括資本和運營支出）20年超過9.5億美元。但如果采用熔鹽反應堆的話成本可降低30%，而如果和氨燃料相比，成本可能要低70%以上。

在挪威船級社（DNV）發布的核聚變商船成本預估中，油船使用低硫燃料油、氨燃料和熔鹽反應堆的年度運營支出分別為1796萬美元、3234萬美元和340萬美元。

五、謹用核能，核動力商船還有很長路要走

安全使用核能是第一要務，潛在的輻射泄漏或碰撞可能引起的爆炸是我們大眾無法承受的。

據統計，國外船用反應堆共發生過40 余次核事故，美國除鈉冷堆以外，壓水堆發生的事故約10 起，主要是由各類管道及設備故障引起的冷卻劑泄漏事故。前蘇聯/俄羅斯除鉛、鉍堆以外，壓水堆發生的事故約有20 起，主要是由各類設備故障引起的失水事故或人為誤操作引起的反應性事故。隨著核安全文化越來越受重視以及技術水平的提升，核事故發生頻率呈快速下降趨勢。

美國、前蘇聯/俄羅斯船用反應堆核事故發生次數統計

據美國能源部發起的“第四代國際論壇”(GIF)關于第四代核反應堆描述，第四代核堆之“六大金剛”：超高溫氣冷堆、氣冷快堆、鈉冷快堆、熔鹽堆、超臨界水冷堆和鉛冷快堆。封閉式燃料循環是第四代概念的主要優勢。

第四代核反應堆特征

根據美國麻省理工學院“核的未來”的研究，封閉式燃料循環的廢料管理優勢，但是封閉循環的燃料成本，包括廢物儲存和處置費用，大約是一次循環成本的4.5倍。即便核工業的廢物在一個封閉循環情景下也只能減少，但仍遠未得到解決，到目前為止，這六個反應堆技術概念要達到第四代的目標還尚需時日。

結語：

總體來看，在全球節能減排的大背景下，核動力商船已成為世界各大海運強國的重點研究領域之一，同時LNG，甲醇，氨，氫等也在參與未來船舶燃料的競爭，但就目前而言，多數核動力商船項目仍處在初始階段，距離實現商業運營還有較長的路要走。

參考文獻：

[1]船用核動力的發展特點與啟示，盧川，王仲輝，于俊崇，0258-0926(2022)01-0001-06

[2]船用核動力裝置及發展趨勢研究，伍賽特

[3]新型核能應用：商船未來發展方向？

[4]核動力商船成脫碳新思路！歐洲船企聯手研發