商船做了60多年的核動(dòng)力夢，什么時(shí)候能成真？

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導(dǎo)語：12月5日，中國船舶集團(tuán)江南造船發(fā)布全球最大24000TEU級核動(dòng)力集裝箱船船型設(shè)計(jì)。該船采用第四代堆型釷基熔鹽反應(yīng)堆解決方案，15-20年更換一次“電池”。無需添加燃料、動(dòng)力強(qiáng)勁、幾乎零排放的核動(dòng)力商船為什么60多年都發(fā)展不起來？

江南造船發(fā)布的24000TEU級核動(dòng)力集裝箱船設(shè)計(jì)圖

一、核動(dòng)力商船60多年的發(fā)展更像場“夢”

1954年美國建成世界上第一艘核動(dòng)力潛艇——“鸚鵡螺”號核潛艇，開辟了船用核動(dòng)力技術(shù)發(fā)展的新紀(jì)元。截止到目前，全世界共建造了 500 余艘核動(dòng)力船舶。除研建各型核動(dòng)力軍艦外，很早就開始核動(dòng)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(lián)成功建造世界上第一艘核動(dòng)力破冰船“列寧”號（Lenin），比蘇聯(lián)第一艘核潛艇“列寧共青團(tuán)”號下水服役還早了一年。

“列寧”號核動(dòng)力破冰船

1962年，美國就成功建造了世界上首艘核動(dòng)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(dòng)力商船先后進(jìn)行了探索性應(yīng)用。

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

世界各國退役的核動(dòng)力商船

二、世界各國重啟核動(dòng)力商船布局

進(jìn)入21世紀(jì)在全球節(jié)能減排的大背景下，第四代核技術(shù)已日臻成熟，具備大規(guī)模應(yīng)用的條件，無需添加燃料、動(dòng)力強(qiáng)勁、幾乎零排放的核動(dòng)力商船再次成為全球焦點(diǎn)。

2020年，由比爾·蓋茨擔(dān)任董事會(huì)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(fā)熔鹽反應(yīng)堆（MSR）原子技術(shù)，用以推進(jìn)核動(dòng)力商船的應(yīng)用進(jìn)程。此外美國船級社（ABS）于2022年獲得了美國能源部（DOE）價(jià)值80萬美元的合同，用以研究在商業(yè)航運(yùn)中使用核動(dòng)力的可能性。

核動(dòng)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(lián)合研發(fā)搭載小型模塊型熔鹽燃料反應(yīng)堆的核動(dòng)力商船。

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

核動(dòng)力 Thor“3R”概念船渲染圖

為實(shí)現(xiàn)大型船舶的碳中和，從長遠(yuǎn)來看, 熔鹽反應(yīng)器對商業(yè)航運(yùn)最具潛力。推出中國自己的核動(dòng)力商船是中國海運(yùn)業(yè)界今后確保全球競爭力必須解決的課題，也是關(guān)系到今后業(yè)界命運(yùn)的問題。

三、核動(dòng)力商船的技術(shù)可行性

1） “燒開水”是當(dāng)下船用核動(dòng)力的絕對主流

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

目前世界上在役和在建的船用核動(dòng)力裝置均為壓水堆核動(dòng)力裝置，其工作原理也就是“燒開水”為：一回路水將反應(yīng)堆核裂變產(chǎn)生的熱量帶出，通過蒸汽發(fā)生器將熱量傳遞給二回路水，使之轉(zhuǎn)化為蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電或直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳。

壓水式艦船核推進(jìn)系統(tǒng)示意圖

對于液態(tài)金屬堆而言，其顯著的優(yōu)點(diǎn)是液態(tài)金屬傳熱效率高，可運(yùn)行于低壓環(huán)境下，可使核動(dòng)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(tài)金屬熔點(diǎn)較高，需要專門的加熱裝置以維持其液體狀態(tài)，這給反應(yīng)堆的運(yùn)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(jì)退役。

隨著全球核電技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，采用釷液態(tài)金屬堆核動(dòng)力裝置的第四代核技術(shù)再度進(jìn)入各國視野，并有望成為未來商船核動(dòng)力的主流發(fā)展趨勢。

2）為什么釷基熔鹽反應(yīng)堆更適合商業(yè)化？

熔鹽燃料反應(yīng)堆是先進(jìn)四代堆中唯一的液態(tài)燃料反應(yīng)堆，使用熔融的混合鹽同時(shí)作為核燃料載體和反應(yīng)堆冷卻劑。

熔鹽反應(yīng)堆發(fā)電站原理示意圖

熔鹽反應(yīng)堆是70年前美國的像素實(shí)驗(yàn)室率先開始研究的。但由于當(dāng)時(shí)的熔鹽反應(yīng)效率較低且不適合生產(chǎn)武器級核燃料，于是美國人放棄了這一技術(shù)路線。而我國從1970年代開始就非常重視釷基熔鹽反應(yīng)堆的研究，中國是首個(gè)嘗試將該新型反應(yīng)堆商業(yè)化的國家。

釷通常與稀土金屬和鉿等金屬的氧化物共生

因?yàn)樽匀唤缰械拟?35非常稀少，而釷是相對放射性較弱的金屬，在稀土采礦業(yè)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(dòng)力的發(fā)展遵循了從試驗(yàn)堆到試驗(yàn)艇，通過不斷改進(jìn)與優(yōu)化，最后成熟推廣的發(fā)展思路，所以將核能應(yīng)用于船舶和應(yīng)用于發(fā)電的設(shè)想幾乎是同時(shí)產(chǎn)生的。

釷將全部轉(zhuǎn)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(yīng)將其轉(zhuǎn)化成鈾-233再使用，通常天然核燃料和可轉(zhuǎn)化核燃料熔融于同時(shí)作為冷卻劑的高溫氟化鹽中，在反應(yīng)堆內(nèi)部和外部進(jìn)行循環(huán)，使核燃料燃燒更充分，即形成釷鈾核燃料循環(huán)，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(xué)院上海應(yīng)用物理研究所。授予核反應(yīng)堆運(yùn)行許可證，上面提到了甘肅省的釷基熔鹽反應(yīng)堆正式開始運(yùn)行，有效期為十年。

釷基熔鹽核反應(yīng)堆運(yùn)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(gè)處于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的熔鹽反應(yīng)堆，它只能在高溫下工作，一旦發(fā)生意外，燃料就會(huì)自動(dòng)凝固阻止核反應(yīng)的繼續(xù)發(fā)生，從而保證了安全。釷進(jìn)行核能發(fā)電產(chǎn)生的危險(xiǎn)廢料也相對較少，僅為鈾的萬分之一，并且可以在100年內(nèi)衰退為沒有放射性的物質(zhì)。

在實(shí)際應(yīng)用方面，釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)熱效率更高。現(xiàn)有的主流反應(yīng)堆熱轉(zhuǎn)換效率僅為33%，而釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)達(dá)到了45%~50%，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

四、核動(dòng)力商船的經(jīng)濟(jì)可行性

根據(jù)此前各國核動(dòng)力商船的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)濟(jì)性是制約核動(dòng)力商船大規(guī)模發(fā)展的又一重要因素。然而，當(dāng)下不斷上漲原油價(jià)格已接近商船運(yùn)營的成本平衡點(diǎn)。

燃料成本是船舶行業(yè)脫碳難題的核心，據(jù)統(tǒng)計(jì)24000個(gè)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(yīng)堆技術(shù)安裝在船上的成本還相當(dāng)昂貴，但基于高油價(jià)和核動(dòng)力商船使用周期的拉長，二者的成本差距已逐漸縮小。

newcleo設(shè)計(jì)的封閉微型反應(yīng)堆

荷蘭C-Job公司近期發(fā)布的研究成果顯示，雖然核動(dòng)力商船的研發(fā)成本較高，但采用核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶能夠在5到15年內(nèi)具有成本效益，核動(dòng)力將成為未來大型、超大型遠(yuǎn)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(yùn)營支出）20年超過9.5億美元。但如果采用熔鹽反應(yīng)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(fā)布的核聚變商船成本預(yù)估中，油船使用低硫燃料油、氨燃料和熔鹽反應(yīng)堆的年度運(yùn)營支出分別為1796萬美元、3234萬美元和340萬美元。

五、謹(jǐn)用核能，核動(dòng)力商船還有很長路要走

安全使用核能是第一要?jiǎng)?wù)，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(jù)統(tǒng)計(jì)，國外船用反應(yīng)堆共發(fā)生過40 余次核事故，美國除鈉冷堆以外，壓水堆發(fā)生的事故約10 起，主要是由各類管道及設(shè)備故障引起的冷卻劑泄漏事故。前蘇聯(lián)/俄羅斯除鉛、鉍堆以外，壓水堆發(fā)生的事故約有20 起，主要是由各類設(shè)備故障引起的失水事故或人為誤操作引起的反應(yīng)性事故。隨著核安全文化越來越受重視以及技術(shù)水平的提升，核事故發(fā)生頻率呈快速下降趨勢。

美國、前蘇聯(lián)/俄羅斯船用反應(yīng)堆核事故發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計(jì)

據(jù)美國能源部發(fā)起的“第四代國際論壇”(GIF)關(guān)于第四代核反應(yīng)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(huán)是第四代概念的主要優(yōu)勢。

第四代核反應(yīng)堆特征

根據(jù)美國麻省理工學(xué)院“核的未來”的研究，封閉式燃料循環(huán)的廢料管理優(yōu)勢，但是封閉循環(huán)的燃料成本，包括廢物儲存和處置費(fèi)用，大約是一次循環(huán)成本的4.5倍。即便核工業(yè)的廢物在一個(gè)封閉循環(huán)情景下也只能減少，但仍遠(yuǎn)未得到解決，到目前為止，這六個(gè)反應(yīng)堆技術(shù)概念要達(dá)到第四代的目標(biāo)還尚需時(shí)日。

結(jié)語：

總體來看，在全球節(jié)能減排的大背景下，核動(dòng)力商船已成為世界各大海運(yùn)強(qiáng)國的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一，同時(shí)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(shù)核動(dòng)力商船項(xiàng)目仍處在初始階段，距離實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營還有較長的路要走。

參考文獻(xiàn)：

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