核動力貨船在幾十年前失敗了，但小型模塊化反應(yīng)堆可能會有完全不同的命運(yùn)。

多年來，航運(yùn)業(yè)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(jìn)。

該行業(yè)現(xiàn)在面臨著加速減排的巨大壓力。航運(yùn)業(yè)每年使用超過3億噸化石燃料，產(chǎn)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(yùn)業(yè)的聯(lián)合國機(jī)構(gòu)，國際海事組織此前的目標(biāo)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(huán)境保護(hù)委員會第80屆會議（MEPC 80）上，減排目標(biāo)升級到了在2050年前后達(dá)到凈零排放。此外，歐盟也計劃在2024年開始向貨運(yùn)商收取碳排放費(fèi)。

為了確保實現(xiàn)目標(biāo)，航運(yùn)業(yè)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(shù)不多但人數(shù)日益增加的分析師正在推動一項已在海洋中破浪前進(jìn)的零排放技術(shù)：核能推進(jìn)。

目前，約有200個核反應(yīng)堆在160艘船上運(yùn)行，其中大部分是軍艦和潛艇。核動力船可以在不補(bǔ)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(yīng)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(fā)的第四代小型模塊化反應(yīng)堆（SMR），將比傳統(tǒng)反應(yīng)堆更安全、操作更簡便。

挪威造船公司Vard集團(tuán)負(fù)責(zé)研究和創(chuàng)新的副總裁哈瓦德?連恩（H?vard Lien）表示，對于航運(yùn)來說，核能確實是唯一時間充裕、現(xiàn)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(chǎn)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(tuán)隸屬于NuProShip，一家由挪威海事主管部門、大學(xué)、造船商和航運(yùn)公司組成的聯(lián)盟，旨在為海洋船舶開發(fā)第四代反應(yīng)堆。該團(tuán)隊已篩選出3個候選設(shè)計，并計劃在2024年底前最終選中一個。

用核能推動貨運(yùn)一艘能夠運(yùn)載數(shù)千個集裝箱的大型商船可以由兩個或更多)30兆瓦的反應(yīng)堆提供動力。這位藝術(shù)家的概念展示并不是基于貨船的任何具體設(shè)計，而是旨在展示這樣一艘船的大致規(guī)模。反應(yīng)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(yīng)堆:鉛冷快速反應(yīng)堆、鈾燃料氦氣冷卻反應(yīng)堆和熔鹽冷卻反應(yīng)堆(底圖)。該反應(yīng)堆產(chǎn)生蒸汽旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)，渦輪機(jī)產(chǎn)生電力來驅(qū)動馬達(dá)。

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

在韓國，包括航運(yùn)公司和韓國原子能研究所在內(nèi)的9家機(jī)構(gòu)計劃開發(fā)和示范由小型模塊化反應(yīng)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(yīng)堆，并描述實現(xiàn)核動力航運(yùn)商業(yè)化之前必須克服的困難。

“根據(jù)像泰拉能源這樣在美國且技術(shù)開發(fā)相當(dāng)先進(jìn)的公司數(shù)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(dǎo)的項目，開始主要是為了開發(fā)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(jì)50年代末，耗資4690萬美元（在今天相當(dāng)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(yīng)堆（LWR）過于復(fù)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(yùn)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(fā)動機(jī)。

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(jì)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(yùn)行的核動力貨船。2023年末，船上的一場火災(zāi)對它造成了輕微損壞。俄羅斯當(dāng)局預(yù)計該船將于2024年退役。

核動力在潛艇和破冰船上的應(yīng)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(dāng)時正值20世紀(jì)50年代核動力研究的全盛時期。此后，已有數(shù)百個核反應(yīng)堆被用于艦船和潛艇。俄羅斯目前運(yùn)營有7艘核動力破冰船。

現(xiàn)在，航運(yùn)業(yè)面臨的脫碳挑戰(zhàn)規(guī)模巨大，再加上新出現(xiàn)的反應(yīng)堆技術(shù)，促使人們重新評估核動力商船。挪威科技大學(xué)海洋作業(yè)和土木工程教授揚(yáng)?埃布姆斯沃格（Jan Emblemsv?g）表示，事實上，對于商業(yè)航運(yùn)商，沒有任何現(xiàn)實可行的方案可替代核能。“普通船舶的發(fā)動機(jī)有幾座房子那么大。”正在領(lǐng)導(dǎo)NuProShip項目的埃布姆斯沃格說。燃料占據(jù)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?！?/p>

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

埃布姆斯沃格補(bǔ)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(jīng)建成的最大電網(wǎng)電池的容量?！半姵厝芤哼€沒啟動就耗盡了。”他說，“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(xiàn)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(chǎn)生氫氣，生產(chǎn)足夠的可再生、無碳氨（每年約6億噸）用于航運(yùn)業(yè)，那么每噸氨將耗電12兆瓦時。埃布姆斯沃格說，要生產(chǎn)6億噸氨，需要2022年整個歐盟近3倍的發(fā)電能力，“所以說，我們能夠制造用氨的發(fā)動機(jī)，但卻沒有足夠數(shù)量的氨?！?/p>

讓核能商用船只成為現(xiàn)實的第一步是建造合適的核反應(yīng)堆。對于船舶推進(jìn)，工程師們已經(jīng)用過壓水反應(yīng)堆，與另一種輕水反應(yīng)堆——沸水反應(yīng)堆相比，對于給定質(zhì)量，壓水反應(yīng)堆能夠產(chǎn)生較高的功率。然而，這項技術(shù)也伴隨著巨大的挑戰(zhàn)。它們的控制系統(tǒng)復(fù)雜，需要經(jīng)過技術(shù)培訓(xùn)的船員操作，同時運(yùn)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(yīng)堆避免了上述問題。在分析了國際原子能機(jī)構(gòu)的小型模塊化反應(yīng)堆手冊中的93個設(shè)計概念后，埃布姆斯沃格和NuProShip團(tuán)隊篩選出3種反應(yīng)堆設(shè)計。第一種是釷燃料熔鹽反應(yīng)堆；第二種是鉛冷快速反應(yīng)堆堆，用熔化的鉛代替?zhèn)鹘y(tǒng)反應(yīng)堆的水冷卻劑；第三種是氦氣冷卻反應(yīng)堆，這種反應(yīng)堆可能最貼近市場化，其使用一種“三元結(jié)構(gòu)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(yīng)堆都在低壓下運(yùn)行，爆炸的可能性極低。此外，在他看來，熔毀基本上不可能發(fā)生。例如，TRISO燃料的熔化溫度非常高，幾乎沒有實際場景會導(dǎo)致燃料熔化。

根據(jù)支持者的說法，其他類型的反應(yīng)堆，熔化的燃料或冷卻劑會在事故變成災(zāi)難之前凝固。Core Power的技術(shù)總監(jiān)朱利奧?熱納羅（Giulio Gennaro）將該公司與泰拉能源正在共同開發(fā)的氯化物熔鹽反應(yīng)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?yīng)堆發(fā)生故障時，污染不會遠(yuǎn)離反應(yīng)堆；而如果壓力容器發(fā)生爆炸，可裂變的材料會飛濺到數(shù)公里之外的地方。

熔鹽反應(yīng)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(shè)計的一座反應(yīng)堆(上圖)在約400℃的溫度使用鈾和氯鹽。占地面積4米x7米，產(chǎn)生的熱功率高達(dá)100兆瓦。

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

Newcleo正在與政府和行業(yè)伙伴合作開發(fā)一種用于航運(yùn)行業(yè)的小型反應(yīng)堆原型，預(yù)計將在未來10年內(nèi)問世。Newcleo與Fincantieri共同開展的可行性研究將指導(dǎo)兩家公司針對海洋應(yīng)用開發(fā)這項技術(shù)。“小型模塊化反應(yīng)堆是一項相對較新的技術(shù)，但從世界各地的政府和行業(yè)對這項技術(shù)的興趣來看，它非常有前景?！?巴本西說。

當(dāng)然，許多造船專家仍對核動力船持懷疑態(tài)度。2023年7月，美國船級社和赫伯特工程公司（Herbert Engineering Corp.）發(fā)布了一項研究結(jié)果，涉及造船專家對核反應(yīng)堆的擔(dān)憂?！捌渲杏泻芏鄦栴}?！泵绹壣绺呒壐笨偛眉媸紫夹g(shù)官帕特里克?瑞恩（Patrick Ryan）說，“反應(yīng)堆會占用我的所有貨艙空間嗎？反應(yīng)堆是怎么擺放的？船員安置在哪里？要求有什么特殊訓(xùn)練嗎？我該如何參與這項技術(shù)？我該如何補(bǔ)充燃料？會改變船的航行速度嗎？我們需要開始進(jìn)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(yīng)堆，可提高貨運(yùn)能力和速度，而且在其整個25年的使用壽命期間無須補(bǔ)充燃料。瑞恩說，如果行業(yè)有足夠的興趣，美國船級社將確認(rèn)最有前景的反應(yīng)堆設(shè)計，并評估其風(fēng)險和安全性。

全世界有80多種小型模塊化反應(yīng)堆設(shè)計正在開發(fā)中，其中美國的占比最大。但美國的造船業(yè)規(guī)模很小。全球造船業(yè)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(yīng)堆來取代燃煤電廠非常興奮，但“關(guān)于核動力商業(yè)航運(yùn)的討論主要來自國外”。

Core Power的熱納羅說，盡管如此，在實際應(yīng)用于船只之前，有必要在陸地上驗證小型模塊化反應(yīng)堆，美國兩黨對新核電站的支持有助于推動進(jìn)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(dá)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(yīng)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(yīng)堆進(jìn)行海上演示。

即使在核能船舶推進(jìn)的支持者中，也不是每個人都認(rèn)為在船上安裝反應(yīng)堆是最好的處理方式。他們主張，在短期內(nèi)，利用核能作為電力資源，生產(chǎn)低碳替代燃料更有意義?！叭绻煤穗婋娊夂Ｋ圃鞖錃?，然后用氫氣作為原料制造氨或甲醇，那么燃料生產(chǎn)的碳足跡實際上為零?！比鸲髡f。

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

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

熱納羅確信，先進(jìn)小型模塊化反應(yīng)堆的優(yōu)勢將是決定性因素。他堅稱：“有技術(shù)風(fēng)險，但就熔鹽快速反應(yīng)堆而言，每個人都認(rèn)為沒有特別的亮點?！彼盅a(bǔ)充說，用于海上部署的小型模塊化反應(yīng)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(xiàn)場建造的，而且通常會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)算和進(jìn)度。成本也是一個重要因素。NuScale Power公司終止了在愛達(dá)荷州建造第一座小型模塊化反應(yīng)堆核電站計劃，它的原計劃是使用6座反應(yīng)堆，裝機(jī)容量位462兆瓦。

熱納羅承認(rèn)，認(rèn)為核反應(yīng)堆不安全的看法將是一個問題，但他認(rèn)為這是一個可以克服的挑戰(zhàn)。瑞恩指出，傳統(tǒng)的化石燃料也有風(fēng)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(guī)則和指導(dǎo)。監(jiān)管機(jī)構(gòu)同樣需要為新的船舶推進(jìn)方式制定規(guī)則。他說，比如，氨毒性很強(qiáng)，對氨燃料泄漏的關(guān)注程度與化石燃料大不相同。美國商船使用的核反應(yīng)堆不僅要接受美國船級社的監(jiān)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(zhàn)，當(dāng)船遇到波浪時，安裝在移動船舶上的反應(yīng)堆會顛簸、擺動、偏航和突然減速。根據(jù)Vard副總裁連恩的說法，NuProShip的任務(wù)之一是評估每種反應(yīng)堆技術(shù)對運(yùn)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(yīng)堆原型進(jìn)行測試。Vard計劃先在新船上測試小型模塊化反應(yīng)堆，但預(yù)計不會早于2035年。連恩說，如果進(jìn)展順利，現(xiàn)有船只改裝可以用小型模塊化反應(yīng)堆來取代柴油發(fā)動機(jī)。他說，公司建造的遠(yuǎn)洋船舶（通信電纜鋪設(shè)船、維修船和漁船）是核能推進(jìn)的理想選擇?！八鼈兊倪\(yùn)行需要大量的動力，并且每次需要在海上航行數(shù)月。如果它們不必中斷作業(yè)回港加油，將是一個很大的優(yōu)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(shè)計了一艘?guī)в腥埯}反應(yīng)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(yùn)業(yè)考慮采用核能推進(jìn)，小型模塊化反應(yīng)堆已經(jīng)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(yīng)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(jīng)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(yuǎn)東地區(qū)運(yùn)行，用于發(fā)電和區(qū)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(jiān)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(jiān)管。例如，目前在美國獲得批準(zhǔn)的反應(yīng)堆并沒有自動獲準(zhǔn)在法國使用?！昂孟⑹?，G7國家和一些歐盟國家以及國際能源署正在努力協(xié)調(diào)規(guī)則?！彼f。

與此同時，Core Power正試圖協(xié)調(diào)獲取利益攸關(guān)方的支持，包括小型模塊化反應(yīng)堆制造專家、造船專家和監(jiān)管機(jī)構(gòu)。熱納羅說，除了選擇適合海洋環(huán)境的核技術(shù)外，該公司還在各處游說，為這些技術(shù)開辟市場。2023年11月，該公司協(xié)助國際原子能機(jī)構(gòu)組織了關(guān)于浮動核電站的研討會，與會者包括核能和海事監(jiān)管機(jī)構(gòu)、法律和政策專家以及行業(yè)領(lǐng)袖。

“這不僅僅是技術(shù)問題，還關(guān)系到整個生態(tài)系統(tǒng)?！彼a(bǔ)充道，“如果我有一項技術(shù)可供使用，但缺乏監(jiān)管框架、市場、融資可能性和商業(yè)模式，那么上市時間（對于核技術(shù)來說已經(jīng)不是很短了）就會推遲。我們的目標(biāo)是確保技術(shù)準(zhǔn)備就緒后，（整個生態(tài)）也部署準(zhǔn)備就緒?！?/p>

作者：Prachi Patel