[技術前沿]核能成為航運新選擇

核動力貨船在幾十年前失敗了，但小型模塊化反應堆可能會有完全不同的命運。

多年來，航運業一直在努力減少碳排放，但收效甚微。全世界幾乎所有的船舶仍以柴油為燃料，只有約1/4尚未交付的在建新船使用低碳替代性能源，例如液化天然氣、甲醇或混合動力推進。

該行業現在面臨著加速減排的巨大壓力。航運業每年使用超過3億噸化石燃料，產生的溫室氣體排放占總溫室氣體排放量的3%。作為管理航運業的聯合國機構，國際海事組織此前的目標是，2050年船舶溫室氣體排放較2008年減少50%；而在2023年7月份的海上環境保護委員會第80屆會議（MEPC 80）上，減排目標升級到了在2050年前后達到凈零排放。此外，歐盟也計劃在2024年開始向貨運商收取碳排放費。

為了確保實現目標，航運業正在探索選用氨、電池和氫等其他能源為船舶提供動力。人數不多但人數日益增加的分析師正在推動一項已在海洋中破浪前進的零排放技術：核能推進。

目前，約有200個核反應堆在160艘船上運行，其中大部分是軍艦和潛艇。核動力船可以在不補充燃料的情況下航行多年。它們不需要巨大的燃料箱，為貨物和乘客留出了更多的空間。反應堆本身也在變得更加完善：由美國泰拉能源和總部位于倫敦和意大利的Newcleo等公司開發的第四代小型模塊化反應堆（SMR），將比傳統反應堆更安全、操作更簡便。

挪威造船公司Vard集團負責研究和創新的副總裁哈瓦德?連恩（H?vard Lien）表示，對于航運來說，核能確實是唯一時間充裕、現實的無碳選擇?！拔覀冃枰獙ε欧庞兴鳛?，這一點越來越明顯。”他說，“同時，我們正在尋找的替代燃料方案明顯有很大的缺陷，而且在岸上生產這些燃料也將需要大量的綠色能源取代煤炭和天然氣。有一種能源可以安裝在船上，不與岸上的能源競爭是非常重要的?！?/p>

Vard集團隸屬于NuProShip，一家由挪威海事主管部門、大學、造船商和航運公司組成的聯盟，旨在為海洋船舶開發第四代反應堆。該團隊已篩選出3個候選設計，并計劃在2024年底前最終選中一個。

用核能推動貨運一艘能夠運載數千個集裝箱的大型商船可以由兩個或更多)30兆瓦的反應堆提供動力。這位藝術家的概念展示并不是基于貨船的任何具體設計，而是旨在展示這樣一艘船的大致規模。反應堆將是小型模塊化裝置。

研究人員正在考慮3種不同類型的反應堆:鉛冷快速反應堆、鈾燃料氦氣冷卻反應堆和熔鹽冷卻反應堆(底圖)。該反應堆產生蒸汽旋轉渦輪機，渦輪機產生電力來驅動馬達。

此外，在2024年末，意大利造船公司Fincantieri和Newcleo預計將完成一項可行性研究，評估在海運船舶上部署30兆瓦反應堆的可行性。日本航運巨頭今治造船株式會社和其他十幾家公司向英國初創企業Core Power投資了8000萬美元，開發可用于船舶的小型模塊化反應堆浮動核電站。

在韓國，包括航運公司和韓國原子能研究所在內的9家機構計劃開發和示范由小型模塊化反應堆提供動力的大型船舶。最近，美國能源部剛剛委托美國船級社完成一項研究，確定最終也可用于商用船只的反應堆，并描述實現核動力航運商業化之前必須克服的困難。

“根據像泰拉能源這樣在美國且技術開發相當先進的公司數量，我粗略猜測，10年后我們將看到第一艘（下一代）核動力的民用商船?！边B恩說。

到目前為止，已建造核動力商用船只4艘，均為政府主導的項目，開始主要是為了開發和測試，而非完全是商用。第一艘是美國的“薩凡納”號，建造于20世紀50年代末，耗資4690萬美元（在今天相當于驚人的4.95億美元）。服役時間為1962年至1972年，但事實證明，其加壓輕水反應堆（LWR）過于復雜和昂貴，該船無法盈利。1988年服役的俄羅斯貨船“塞夫莫普特”號是截至2024年初唯一仍在運營的核動力商用船只。另外兩艘船，即日本的“陸奧”號（1970年）和德國的“奧托?哈恩”號（1968年），都在服役期間改用柴油發動機。

1962年，人們在西雅圖港附近看到的第一艘核動力商船“薩凡納”號。這艘船建于20世紀50年代末，因成本太高，無法盈利，于1971年底停用。

俄羅斯“塞夫莫普特”號從1988年開始服役，截至2024年初，是唯-一艘仍在運行的核動力貨船。2023年末，船上的一場火災對它造成了輕微損壞。俄羅斯當局預計該船將于2024年退役。

核動力在潛艇和破冰船上的應用比較成功。第一艘核動力潛艇是1954年的“鸚鵡螺”號攻擊型潛艇，當時正值20世紀50年代核動力研究的全盛時期。此后，已有數百個核反應堆被用于艦船和潛艇。俄羅斯目前運營有7艘核動力破冰船。

現在，航運業面臨的脫碳挑戰規模巨大，再加上新出現的反應堆技術，促使人們重新評估核動力商船。挪威科技大學海洋作業和土木工程教授揚?埃布姆斯沃格（Jan Emblemsv?g）表示，事實上，對于商業航運商，沒有任何現實可行的方案可替代核能。“普通船舶的發動機有幾座房子那么大?！闭陬I導NuProShip項目的埃布姆斯沃格說。燃料占據了大部分空間：“一艘從阿姆斯特丹開往上海的集裝箱船大約需要4000噸燃料。”

小型模塊化反應堆會非常緊湊，重量很輕。根據埃布姆斯沃格的說法，與用柴油（或者更準確地說，重燃料油）發動機的船舶相比，在船舶整個壽命周期內，使用釷和熱液鹽的混合物作為燃料和冷卻劑的熔鹽反應堆，可節約7000萬美元。核動力船的另一個優勢是容易源源不斷地獲得冷卻水。

埃布姆斯沃格補充說，電池顯然沒有希望。一艘大型集裝箱船每天需要約3000兆瓦時的電量，這大致是已經建成的最大電網電池的容量。“電池溶液還沒啟動就耗盡了?！彼f，“基本上船航行一天就沒電了?！?/p>

同時，氨的能量密度是柴油的一半，因此船需要的氨是柴油的2倍?，F在，氨是用能源密集型工藝制造的，還沒有船舶使用它。如果使用電解槽通過分解水分子產生氫氣，生產足夠的可再生、無碳氨（每年約6億噸）用于航運業，那么每噸氨將耗電12兆瓦時。埃布姆斯沃格說，要生產6億噸氨，需要2022年整個歐盟近3倍的發電能力，“所以說，我們能夠制造用氨的發動機，但卻沒有足夠數量的氨。”

讓核能商用船只成為現實的第一步是建造合適的核反應堆。對于船舶推進，工程師們已經用過壓水反應堆，與另一種輕水反應堆——沸水反應堆相比，對于給定質量，壓水反應堆能夠產生較高的功率。然而，這項技術也伴隨著巨大的挑戰。它們的控制系統復雜，需要經過技術培訓的船員操作，同時運行的固體燃料棒每18個月需要更換一次；壓力容器也有爆炸的危險，盡管這種危險很小。

第四代小型模塊化反應堆避免了上述問題。在分析了國際原子能機構的小型模塊化反應堆手冊中的93個設計概念后，埃布姆斯沃格和NuProShip團隊篩選出3種反應堆設計。第一種是釷燃料熔鹽反應堆；第二種是鉛冷快速反應堆堆，用熔化的鉛代替傳統反應堆的水冷卻劑；第三種是氦氣冷卻反應堆，這種反應堆可能最貼近市場化，其使用一種“三元結構各向同性”（TRISO）燃料，這種燃料由包裹在超堅硬碳化物和碳層中的鈾顆粒組成，可以承受2000℃以上的溫度。

埃布姆斯沃格指出，這3種反應堆都在低壓下運行，爆炸的可能性極低。此外，在他看來，熔毀基本上不可能發生。例如，TRISO燃料的熔化溫度非常高，幾乎沒有實際場景會導致燃料熔化。

根據支持者的說法，其他類型的反應堆，熔化的燃料或冷卻劑會在事故變成災難之前凝固。Core Power的技術總監朱利奧?熱納羅（Giulio Gennaro）將該公司與泰拉能源正在共同開發的氯化物熔鹽反應堆比作一個平底鍋而不是壓力鍋：“如果你用平底鍋制作焦糖，它會非常熱；你可能會燙傷手指。但如果鍋破了，融化的焦糖會漏到爐子上，并很快凝固?！币虼耍诜磻寻l生故障時，污染不會遠離反應堆；而如果壓力容器發生爆炸，可裂變的材料會飛濺到數公里之外的地方。

熔鹽反應堆(左圖)的燃料是熔鹽和可裂變材料(如濃縮鈾、釷甚至核廢料中的超鈾同位素混合物)的混合物，通常冷卻也用這種混合物。英國CorePower公司設計的一座反應堆(上圖)在約400℃的溫度使用鈾和氯鹽。占地面積4米x7米，產生的熱功率高達100兆瓦。

Newcleo的工程總監安德里亞?巴本西（Andrea Barbensi）表示，鉛冷卻反應堆也有類似的優勢：液態鉛在接觸冷水時會冷卻并固化，將反應堆堆芯包裹住，防止核材料泄露到環境中。該公司于2021年推出了一種鉛冷卻反應堆，旨在通過回收傳統反應堆的副產品來生產自己的燃料，“這為核廢料提供了一種循環利用的解決方案?！彼f。

Newcleo正在與政府和行業伙伴合作開發一種用于航運行業的小型反應堆原型，預計將在未來10年內問世。Newcleo與Fincantieri共同開展的可行性研究將指導兩家公司針對海洋應用開發這項技術?！靶⌒湍K化反應堆是一項相對較新的技術，但從世界各地的政府和行業對這項技術的興趣來看，它非常有前景?！?巴本西說。

當然，許多造船專家仍對核動力船持懷疑態度。2023年7月，美國船級社和赫伯特工程公司（Herbert Engineering Corp.）發布了一項研究結果，涉及造船專家對核反應堆的擔憂。“其中有很多問題?！泵绹壣绺呒壐笨偛眉媸紫夹g官帕特里克?瑞恩（Patrick Ryan）說，“反應堆會占用我的所有貨艙空間嗎？反應堆是怎么擺放的？船員安置在哪里？要求有什么特殊訓練嗎？我該如何參與這項技術？我該如何補充燃料？會改變船的航行速度嗎？我們需要開始進行對話?！?/p>

研究表明，在一艘大型集裝箱船上安裝兩個30兆瓦的鉛冷卻反應堆，可提高貨運能力和速度，而且在其整個25年的使用壽命期間無須補充燃料。瑞恩說，如果行業有足夠的興趣，美國船級社將確認最有前景的反應堆設計，并評估其風險和安全性。

全世界有80多種小型模塊化反應堆設計正在開發中，其中美國的占比最大。但美國的造船業規模很小。全球造船業主要集中在韓國、日本和中國。瑞恩說，雖然美國對在陸地上使用小型模塊化反應堆來取代燃煤電廠非常興奮，但“關于核動力商業航運的討論主要來自國外”。

Core Power的熱納羅說，盡管如此，在實際應用于船只之前，有必要在陸地上驗證小型模塊化反應堆，美國兩黨對新核電站的支持有助于推動進展。在美國能源部1.7億美元的資助下，Core Power和泰拉能源正在愛達荷國家實驗室建造一個500千瓦的氯化物熔融桌面試驗反應堆，可能在2025年開始試驗。然后，兩家公司計劃在2030年后建造一個更大的反應堆進行海上演示。

即使在核能船舶推進的支持者中，也不是每個人都認為在船上安裝反應堆是最好的處理方式。他們主張，在短期內，利用核能作為電力資源，生產低碳替代燃料更有意義?！叭绻煤穗婋娊夂Ｋ圃鞖錃猓缓笥脷錃庾鳛樵现圃彀被蚣状?，那么燃料生產的碳足跡實際上為零?！比鸲髡f。

“在海洋船舶上安裝反應堆有很多復雜問題，而用核能生產燃料則沒有這些問題?！彼a充道。即使氯化物熔融反應堆設法避免了早期貨船上使用壓水反應堆存在的可靠性不穩定、運營成本極高以及放射性廢料和船舶退役等技術問題和挑戰，仍然會遇到與公眾對核電的認知以及一些港口可能不歡迎核動力船入港等有關的問題。

2023年12月，江南造船廠宣布已完成一艘能夠運輸2.4萬個20英尺集裝箱的核動力船舶的設計。為這艘巨輪提供動力的是熔鹽反應堆，使用氯鹽和釷作燃燃米斗。

熱納羅確信，先進小型模塊化反應堆的優勢將是決定性因素。他堅稱：“有技術風險，但就熔鹽快速反應堆而言，每個人都認為沒有特別的亮點。”他又補充說，用于海上部署的小型模塊化反應堆將在工廠建造、在造船廠組裝，這樣可以加快建造速度和降低成本。相比之下，陸上核電站是在現場建造的，而且通常會遠遠超出預算和進度。成本也是一個重要因素。NuScale Power公司終止了在愛達荷州建造第一座小型模塊化反應堆核電站計劃，它的原計劃是使用6座反應堆，裝機容量位462兆瓦。

熱納羅承認，認為核反應堆不安全的看法將是一個問題，但他認為這是一個可以克服的挑戰。瑞恩指出，傳統的化石燃料也有風險，這就是為什么美國船級社就如何安全使用這些燃料制定了規則和指導。監管機構同樣需要為新的船舶推進方式制定規則。他說，比如，氨毒性很強，對氨燃料泄漏的關注程度與化石燃料大不相同。美國商船使用的核反應堆不僅要接受美國船級社的監督，還需要獲得美國核管理委員會的許可。

與陸上使用核能不同，海上使用核能確實面臨挑戰，當船遇到波浪時，安裝在移動船舶上的反應堆會顛簸、擺動、偏航和突然減速。根據Vard副總裁連恩的說法，NuProShip的任務之一是評估每種反應堆技術對運動的承受能力。

該項目希望在2030年左右有一臺小型模塊化反應堆原型進行測試。Vard計劃先在新船上測試小型模塊化反應堆，但預計不會早于2035年。連恩說，如果進展順利，現有船只改裝可以用小型模塊化反應堆來取代柴油發動機。他說，公司建造的遠洋船舶（通信電纜鋪設船、維修船和漁船）是核能推進的理想選擇?！八鼈兊倪\行需要大量的動力，并且每次需要在海上航行數月。如果它們不必中斷作業回港加油，將是一個很大的優勢?！?/p>

其他類型的船舶也可以采用核動力。即便沒人希望看到核動力游輪，它們也可能間接受益。挪威造船商Ulstein設計了一艘帶有熔鹽反應堆的核動力船，可能會成為移動充電站，將來為電池供電的小型游輪充電。

隨著航運業考慮采用核能推進，小型模塊化反應堆已經開始接受離岸審查。俄羅斯、中國和韓國目前正在研究浮動核電站，主要是水冷小型模塊化反應堆，它們要么安裝在駁船上，要么浸在靠近海岸的水下。俄羅斯已經有一座“羅蒙諾索夫院士”號浮動核電站，自2020年以來一直在俄羅斯遠東地區運行，用于發電和區域供暖。

埃布姆斯沃格說，未來核動力船可能遇到的一個障礙是碎片化的核監管問題。穿越國際邊界的商用船只將在不同的港口面臨不同的監管。例如，目前在美國獲得批準的反應堆并沒有自動獲準在法國使用?！昂孟⑹牵珿7國家和一些歐盟國家以及國際能源署正在努力協調規則。”他說。

與此同時，Core Power正試圖協調獲取利益攸關方的支持，包括小型模塊化反應堆制造專家、造船專家和監管機構。熱納羅說，除了選擇適合海洋環境的核技術外，該公司還在各處游說，為這些技術開辟市場。2023年11月，該公司協助國際原子能機構組織了關于浮動核電站的研討會，與會者包括核能和海事監管機構、法律和政策專家以及行業領袖。

“這不僅僅是技術問題，還關系到整個生態系統?！彼a充道，“如果我有一項技術可供使用，但缺乏監管框架、市場、融資可能性和商業模式，那么上市時間（對于核技術來說已經不是很短了）就會推遲。我們的目標是確保技術準備就緒后，（整個生態）也部署準備就緒。”

作者：Prachi Patel