[技术前沿]核能成为航运新选择

核动力货船在几十年前失败了，但小型模块化反应堆可能会有完全不同的命运。

多年来，航运业一直在努力减少碳排放，但收效甚微。全世界几乎所有的船舶仍以柴油为燃料，只有约1/4尚未交付的在建新船使用低碳替代性能源，例如液化天然气、甲醇或混合动力推进。

该行业现在面临着加速减排的巨大压力。航运业每年使用超过3亿吨化石燃料，产生的温室气体排放占总温室气体排放量的3%。作为管理航运业的联合国机构，国际海事组织此前的目标是，2050年船舶温室气体排放较2008年减少50%；而在2023年7月份的海上环境保护委员会第80届会议（MEPC 80）上，减排目标升级到了在2050年前后达到净零排放。此外，欧盟也计划在2024年开始向货运商收取碳排放费。

为了确保实现目标，航运业正在探索选用氨、电池和氢等其他能源为船舶提供动力。人数不多但人数日益增加的分析师正在推动一项已在海洋中破浪前进的零排放技术：核能推进。

目前，约有200个核反应堆在160艘船上运行，其中大部分是军舰和潜艇。核动力船可以在不补充燃料的情况下航行多年。它们不需要巨大的燃料箱，为货物和乘客留出了更多的空间。反应堆本身也在变得更加完善：由美国泰拉能源和总部位于伦敦和意大利的Newcleo等公司开发的第四代小型模块化反应堆（SMR），将比传统反应堆更安全、操作更简便。

挪威造船公司Vard集团负责研究和创新的副总裁哈瓦德•连恩（Håvard Lien）表示，对于航运来说，核能确实是唯一时间充裕、现实的无碳选择。“我们需要对排放有所作为，这一点越来越明显。”他说，“同时，我们正在寻找的替代燃料方案明显有很大的缺陷，而且在岸上生产这些燃料也将需要大量的绿色能源取代煤炭和天然气。有一种能源可以安装在船上，不与岸上的能源竞争是非常重要的。”

Vard集团隶属于NuProShip，一家由挪威海事主管部门、大学、造船商和航运公司组成的联盟，旨在为海洋船舶开发第四代反应堆。该团队已筛选出3个候选设计，并计划在2024年底前最终选中一个。

用核能推动货运一艘能够运载数千个集装箱的大型商船可以由两个或更多)30兆瓦的反应堆提供动力。这位艺术家的概念展示并不是基于货船的任何具体设计，而是旨在展示这样一艘船的大致规模。反应堆将是小型模块化装置。

研究人员正在考虑3种不同类型的反应堆:铅冷快速反应堆、铀燃料氦气冷却反应堆和熔盐冷却反应堆(底图)。该反应堆产生蒸汽旋转涡轮机，涡轮机产生电力来驱动马达。

此外，在2024年末，意大利造船公司Fincantieri和Newcleo预计将完成一项可行性研究，评估在海运船舶上部署30兆瓦反应堆的可行性。日本航运巨头今治造船株式会社和其他十几家公司向英国初创企业Core Power投资了8000万美元，开发可用于船舶的小型模块化反应堆浮动核电站。

在韩国，包括航运公司和韩国原子能研究所在内的9家机构计划开发和示范由小型模块化反应堆提供动力的大型船舶。最近，美国能源部刚刚委托美国船级社完成一项研究，确定最终也可用于商用船只的反应堆，并描述实现核动力航运商业化之前必须克服的困难。

“根据像泰拉能源这样在美国且技术开发相当先进的公司数量，我粗略猜测，10年后我们将看到第一艘（下一代）核动力的民用商船。”连恩说。

到目前为止，已建造核动力商用船只4艘，均为政府主导的项目，开始主要是为了开发和测试，而非完全是商用。第一艘是美国的“萨凡纳”号，建造于20世纪50年代末，耗资4690万美元（在今天相当于惊人的4.95亿美元）。服役时间为1962年至1972年，但事实证明，其加压轻水反应堆（LWR）过于复杂和昂贵，该船无法盈利。1988年服役的俄罗斯货船“塞夫莫普特”号是截至2024年初唯一仍在运营的核动力商用船只。另外两艘船，即日本的“陆奥”号（1970年）和德国的“奥托•哈恩”号（1968年），都在服役期间改用柴油发动机。

1962年，人们在西雅图港附近看到的第一艘核动力商船“萨凡纳”号。这艘船建于20世纪50年代末，因成本太高，无法盈利，于1971年底停用。

俄罗斯“塞夫莫普特”号从1988年开始服役，截至2024年初，是唯-一艘仍在运行的核动力货船。2023年末，船上的一场火灾对它造成了轻微损坏。俄罗斯当局预计该船将于2024年退役。

核动力在潜艇和破冰船上的应用比较成功。第一艘核动力潜艇是1954年的“鹦鹉螺”号攻击型潜艇，当时正值20世纪50年代核动力研究的全盛时期。此后，已有数百个核反应堆被用于舰船和潜艇。俄罗斯目前运营有7艘核动力破冰船。

现在，航运业面临的脱碳挑战规模巨大，再加上新出现的反应堆技术，促使人们重新评估核动力商船。挪威科技大学海洋作业和土木工程教授扬•埃布姆斯沃格（Jan Emblemsvåg）表示，事实上，对于商业航运商，没有任何现实可行的方案可替代核能。“普通船舶的发动机有几座房子那么大。”正在领导NuProShip项目的埃布姆斯沃格说。燃料占据了大部分空间：“一艘从阿姆斯特丹开往上海的集装箱船大约需要4000吨燃料。”

小型模块化反应堆会非常紧凑，重量很轻。根据埃布姆斯沃格的说法，与用柴油（或者更准确地说，重燃料油）发动机的船舶相比，在船舶整个寿命周期内，使用钍和热液盐的混合物作为燃料和冷却剂的熔盐反应堆，可节约7000万美元。核动力船的另一个优势是容易源源不断地获得冷却水。

埃布姆斯沃格补充说，电池显然没有希望。一艘大型集装箱船每天需要约3000兆瓦时的电量，这大致是已经建成的最大电网电池的容量。“电池溶液还没启动就耗尽了。”他说，“基本上船航行一天就没电了。”

同时，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。现在，氨是用能源密集型工艺制造的，还没有船舶使用它。如果使用电解槽通过分解水分子产生氢气，生产足够的可再生、无碳氨（每年约6亿吨）用于航运业，那么每吨氨将耗电12兆瓦时。埃布姆斯沃格说，要生产6亿吨氨，需要2022年整个欧盟近3倍的发电能力，“所以说，我们能够制造用氨的发动机，但却没有足够数量的氨。”

让核能商用船只成为现实的第一步是建造合适的核反应堆。对于船舶推进，工程师们已经用过压水反应堆，与另一种轻水反应堆——沸水反应堆相比，对于给定质量，压水反应堆能够产生较高的功率。然而，这项技术也伴随着巨大的挑战。它们的控制系统复杂，需要经过技术培训的船员操作，同时运行的固体燃料棒每18个月需要更换一次；压力容器也有爆炸的危险，尽管这种危险很小。

第四代小型模块化反应堆避免了上述问题。在分析了国际原子能机构的小型模块化反应堆手册中的93个设计概念后，埃布姆斯沃格和NuProShip团队筛选出3种反应堆设计。第一种是钍燃料熔盐反应堆；第二种是铅冷快速反应堆堆，用熔化的铅代替传统反应堆的水冷却剂；第三种是氦气冷却反应堆，这种反应堆可能最贴近市场化，其使用一种“三元结构各向同性”（TRISO）燃料，这种燃料由包裹在超坚硬碳化物和碳层中的铀颗粒组成，可以承受2000℃以上的温度。

埃布姆斯沃格指出，这3种反应堆都在低压下运行，爆炸的可能性极低。此外，在他看来，熔毁基本上不可能发生。例如，TRISO燃料的熔化温度非常高，几乎没有实际场景会导致燃料熔化。

根据支持者的说法，其他类型的反应堆，熔化的燃料或冷却剂会在事故变成灾难之前凝固。Core Power的技术总监朱利奥•热纳罗（Giulio Gennaro）将该公司与泰拉能源正在共同开发的氯化物熔盐反应堆比作一个平底锅而不是压力锅：“如果你用平底锅制作焦糖，它会非常热；你可能会烫伤手指。但如果锅破了，融化的焦糖会漏到炉子上，并很快凝固。”因此，在反应堆发生故障时，污染不会远离反应堆；而如果压力容器发生爆炸，可裂变的材料会飞溅到数公里之外的地方。

熔盐反应堆(左图)的燃料是熔盐和可裂变材料(如浓缩铀、钍甚至核废料中的超铀同位素混合物)的混合物，通常冷却也用这种混合物。英国CorePower公司设计的一座反应堆(上图)在约400℃的温度使用铀和氯盐。占地面积4米x7米，产生的热功率高达100兆瓦。

Newcleo的工程总监安德里亚•巴本西（Andrea Barbensi）表示，铅冷却反应堆也有类似的优势：液态铅在接触冷水时会冷却并固化，将反应堆堆芯包裹住，防止核材料泄露到环境中。该公司于2021年推出了一种铅冷却反应堆，旨在通过回收传统反应堆的副产品来生产自己的燃料，“这为核废料提供了一种循环利用的解决方案。”他说。

Newcleo正在与政府和行业伙伴合作开发一种用于航运行业的小型反应堆原型，预计将在未来10年内问世。Newcleo与Fincantieri共同开展的可行性研究将指导两家公司针对海洋应用开发这项技术。“小型模块化反应堆是一项相对较新的技术，但从世界各地的政府和行业对这项技术的兴趣来看，它非常有前景。” 巴本西说。

当然，许多造船专家仍对核动力船持怀疑态度。2023年7月，美国船级社和赫伯特工程公司（Herbert Engineering Corp.）发布了一项研究结果，涉及造船专家对核反应堆的担忧。“其中有很多问题。”美国船级社高级副总裁兼首席技术官帕特里克•瑞恩（Patrick Ryan）说，“反应堆会占用我的所有货舱空间吗？反应堆是怎么摆放的？船员安置在哪里？要求有什么特殊训练吗？我该如何参与这项技术？我该如何补充燃料？会改变船的航行速度吗？我们需要开始进行对话。”

研究表明，在一艘大型集装箱船上安装两个30兆瓦的铅冷却反应堆，可提高货运能力和速度，而且在其整个25年的使用寿命期间无须补充燃料。瑞恩说，如果行业有足够的兴趣，美国船级社将确认最有前景的反应堆设计，并评估其风险和安全性。

全世界有80多种小型模块化反应堆设计正在开发中，其中美国的占比最大。但美国的造船业规模很小。全球造船业主要集中在韩国、日本和中国。瑞恩说，虽然美国对在陆地上使用小型模块化反应堆来取代燃煤电厂非常兴奋，但“关于核动力商业航运的讨论主要来自国外”。

Core Power的热纳罗说，尽管如此，在实际应用于船只之前，有必要在陆地上验证小型模块化反应堆，美国两党对新核电站的支持有助于推动进展。在美国能源部1.7亿美元的资助下，Core Power和泰拉能源正在爱达荷国家实验室建造一个500千瓦的氯化物熔融桌面试验反应堆，可能在2025年开始试验。然后，两家公司计划在2030年后建造一个更大的反应堆进行海上演示。

即使在核能船舶推进的支持者中，也不是每个人都认为在船上安装反应堆是最好的处理方式。他们主张，在短期内，利用核能作为电力资源，生产低碳替代燃料更有意义。“如果用核电电解海水制造氢气，然后用氢气作为原料制造氨或甲醇，那么燃料生产的碳足迹实际上为零。”瑞恩说。

“在海洋船舶上安装反应堆有很多复杂问题，而用核能生产燃料则没有这些问题。”他补充道。即使氯化物熔融反应堆设法避免了早期货船上使用压水反应堆存在的可靠性不稳定、运营成本极高以及放射性废料和船舶退役等技术问题和挑战，仍然会遇到与公众对核电的认知以及一些港口可能不欢迎核动力船入港等有关的问题。

2023年12月，江南造船厂宣布已完成一艘能够运输2.4万个20英尺集装箱的核动力船舶的设计。为这艘巨轮提供动力的是熔盐反应堆，使用氯盐和钍作燃燃米斗。

热纳罗确信，先进小型模块化反应堆的优势将是决定性因素。他坚称：“有技术风险，但就熔盐快速反应堆而言，每个人都认为没有特别的亮点。”他又补充说，用于海上部署的小型模块化反应堆将在工厂建造、在造船厂组装，这样可以加快建造速度和降低成本。相比之下，陆上核电站是在现场建造的，而且通常会远远超出预算和进度。成本也是一个重要因素。NuScale Power公司终止了在爱达荷州建造第一座小型模块化反应堆核电站计划，它的原计划是使用6座反应堆，装机容量位462兆瓦。

热纳罗承认，认为核反应堆不安全的看法将是一个问题，但他认为这是一个可以克服的挑战。瑞恩指出，传统的化石燃料也有风险，这就是为什么美国船级社就如何安全使用这些燃料制定了规则和指导。监管机构同样需要为新的船舶推进方式制定规则。他说，比如，氨毒性很强，对氨燃料泄漏的关注程度与化石燃料大不相同。美国商船使用的核反应堆不仅要接受美国船级社的监督，还需要获得美国核管理委员会的许可。

与陆上使用核能不同，海上使用核能确实面临挑战，当船遇到波浪时，安装在移动船舶上的反应堆会颠簸、摆动、偏航和突然减速。根据Vard副总裁连恩的说法，NuProShip的任务之一是评估每种反应堆技术对运动的承受能力。

该项目希望在2030年左右有一台小型模块化反应堆原型进行测试。Vard计划先在新船上测试小型模块化反应堆，但预计不会早于2035年。连恩说，如果进展顺利，现有船只改装可以用小型模块化反应堆来取代柴油发动机。他说，公司建造的远洋船舶（通信电缆铺设船、维修船和渔船）是核能推进的理想选择。“它们的运行需要大量的动力，并且每次需要在海上航行数月。如果它们不必中断作业回港加油，将是一个很大的优势。”

其他类型的船舶也可以采用核动力。即便没人希望看到核动力游轮，它们也可能间接受益。挪威造船商Ulstein设计了一艘带有熔盐反应堆的核动力船，可能会成为移动充电站，将来为电池供电的小型游轮充电。

随着航运业考虑采用核能推进，小型模块化反应堆已经开始接受离岸审查。俄罗斯、中国和韩国目前正在研究浮动核电站，主要是水冷小型模块化反应堆，它们要么安装在驳船上，要么浸在靠近海岸的水下。俄罗斯已经有一座“罗蒙诺索夫院士”号浮动核电站，自2020年以来一直在俄罗斯远东地区运行，用于发电和区域供暖。

埃布姆斯沃格说，未来核动力船可能遇到的一个障碍是碎片化的核监管问题。穿越国际边界的商用船只将在不同的港口面临不同的监管。例如，目前在美国获得批准的反应堆并没有自动获准在法国使用。“好消息是，G7国家和一些欧盟国家以及国际能源署正在努力协调规则。”他说。

与此同时，Core Power正试图协调获取利益攸关方的支持，包括小型模块化反应堆制造专家、造船专家和监管机构。热纳罗说，除了选择适合海洋环境的核技术外，该公司还在各处游说，为这些技术开辟市场。2023年11月，该公司协助国际原子能机构组织了关于浮动核电站的研讨会，与会者包括核能和海事监管机构、法律和政策专家以及行业领袖。

“这不仅仅是技术问题，还关系到整个生态系统。”他补充道，“如果我有一项技术可供使用，但缺乏监管框架、市场、融资可能性和商业模式，那么上市时间（对于核技术来说已经不是很短了）就会推迟。我们的目标是确保技术准备就绪后，（整个生态）也部署准备就绪。”

作者：Prachi Patel