民用核能船舶未来








虽然在潜艇和水面舰艇在内的海军舰艇已经装备有核能,但大多数民用核能在水面上的使用最终都被终止。









1、“奥托·哈恩”号(Otto Hahn)——德国独特的集成压水堆设计

 民用核能船舶未来的图1


1960年,西德开始计划建造一艘贸易和研究货船,以测试民用核能的可行性。
 
这艘重达2.6万吨的矿石运输船名为“奥托·哈恩”号,1968年在38 MWt压水堆的动力下开始运行。
 
该反应堆由德国Babcock&Wilcox公司设计,是第一台集成式压水堆,其螺旋线圈蒸汽发生器设计、稳压器和反应堆堆芯均位于反应堆压力容器内。
 
两个外部反应堆冷却剂泵使冷却剂在整个模块中循环,设计中还包括单独的屏蔽乏燃料贮存。
 
这种被称为“整合核蒸汽发生器”的设计理念是Babcock&Wilcox公司在1962年根据AEC合同开发的。
 
反应堆堆芯有12个燃料元件和2810根燃料棒,其中包含封装在锆合金-4包壳中的低浓缩铀。
 
“奥托·哈恩”号有63名船员,最多可容纳35名研究人员。一个独特之处在于安装了一个典型的实验反渗透装置,使用核能发电的海水淡化模块。
 
四年的运行里,“奥托·哈恩”号航程超过250000海里,消耗48.4磅铀-235  

民用核能船舶未来的图2

1979年,“奥托·哈恩”号访问了22个国家的33个港口,运送75万吨货物,航程达到65万海里后,反应堆被停用并拆除。
 
经过10年的运行,发电厂的可用性几乎达到100%,包括在各种海况下的运行和电力机动。
 
随后,反应堆被柴油动力取代,该船于1982年改名,并改装成集装箱船,一直运营到2009年。
 
除了“奥托·哈恩”号,历史上还有另外两艘核动力货船:日本的陆奥号和俄罗斯的“北海航线”号(Sevmorput)。

民用核能船舶未来的图3 日本曾经也建造过核动力船舶,名称沿用了旧日本海军战列舰——“陆奥”号。

日本陆奥号是一个36 MWt 32燃料组件压水堆,于1974年下水并开始海上试验。
 
不过,该船的屏蔽设计缺陷导致高中子辐射剂量,再加上负面的公众反应,进行重新设计、修改,并最终在1992年退役。
 
“北海航线”号是一艘目前正在运行的集装箱船,由135 MWt四回路压水堆提供动力,设计可承载多达1328个集装箱,并可在有冰的情况下穿越海洋。
 
该船于1988年开始运营,但由于对其服务的需求不高,被搁置了几年,并考虑将该船改装为其他用途的可能性。
 
最后,经过改装和加油后,“北海航线”号于2016年重返货运任务。
 
2、“斯特吉斯“号(Sturgis)——浮式核电站
 民用核能船舶未来的图4

“斯特吉斯“号不同于本文中讨论的其他船舶,因为该船不使用核动力(或任何其他船载电源)进行推进。
 
“斯特吉斯“号被设计为沿海地区的一种电源,特别是在季节性或交通不便的偏远地区。
 
“斯特吉斯“号建造时,陆军已经运行了几个陆基核反应堆,但该船拥有陆军最大的反应堆,以及唯一的浮动反应堆,由美国陆军在20世纪60年代建造的,最初可能是打算在越南部署。
 
19631月开始,陆军使用封存的“自由“号作为平台,通过拆除推进设备改装成驳船,并安装了一座45MWt10Mwe的低浓缩铀压水堆,更名为“斯特吉斯“号浮动核电站,或者称为MH-1A(代表移动式、高功率、一流的现场安装)。
 
1967124日,“斯特吉斯“号在弗吉尼亚州贝尔沃堡达到初始临界状态,为基地供电。
 
1968年,“斯特吉斯“号被拖到巴拿马运河区的加顿湖,当时,巴拿马正经历严重干旱。
 
通常情况下,加顿湖的水用于操作水闸和加顿水电站,然而,干旱降低了湖面的水位,湖水严重缺乏。
 
使用“斯特吉斯“号提供电力,可以将加顿湖的所有水用于运河运营,从1968年到1975年,“斯特吉斯“号一直在那里供电。

越南战争期间,“斯特吉斯“号反应堆为该地区提供的额外电力,使数千艘美国军舰得以通过运河前往越南。
 
1975年,MH-1A反应堆需要大修。
 
然而,陆军认为让这座独一无二的设施继续运行是不切实际的,1976年末至1977年初,“斯特吉斯“号被拖回美国进行退役。
 
在南卡罗来纳州海岸附近,“斯特吉斯“号遭受风暴破坏,不得不转移到阳光点军用码头(Sunny Point Military Terminal)进行临时维修。
 
然后继续前往贝尔沃堡,在那里停用反应堆,并卸下燃料,驳船被转移到詹姆斯河储备舰队。
 
2015年,放射性污染水平已经下降到足以最终处置船只的程度,“斯特吉斯“号被拖到德克萨斯州加尔维斯顿,剩余污染物质被移走,并被拖到一个危险材料处置场,船只被切割并报废。
 
直到两年前,“斯特吉斯“号还是世界上唯一一座运行浮动核电站。

民用核能船舶未来的图5
 罗蒙诺索夫院士号浮动核电站(图源:网络)

201912月,俄罗斯70 MWe“阿卡德米克·罗蒙诺索夫院士号”(Akademik Lomonosov)浮动核电站开始在俄罗斯楚科特卡的佩维克港供电。
 
长期以来,人们一直认为,发电厂可以根据需要从一个地方移动到另一个地方,或者位于海上。
 
近年来,人们对可能的新型浮动电厂重新产生了兴趣。
 
3、展望下一代核动力船舶

 民用核能船舶未来的图6


商业船舶目前使用石油、柴油和丙烷作为推进和船上电力,这些燃料燃烧会释放二氧化碳、甲烷、硫氧化物、黑碳颗粒和氮氧化物,这些都被认为是温室气体,产生酸雨和呼吸道疾病的来源。
 
商业航运排放量,目前约占所有人为温室气体排放量的3%,预计到2050年将达到17%
 
这些燃料的使用,还容易导致事故(例如“埃克森瓦尔迪兹”号(Exxon Valdez)事故),有毒有害燃料液释放到海洋环境中。
 
人们正在评估替代燃料,如无碳氢、生物燃料和氨,以减少对环境的影响,但这些燃料的生产、分配、储存和使用带来了物流和经济挑战,满足商业航运业的未来需求仍需要一定的发展。
 
正如本文所示,核动力商业船舶的国际设计和运营历史可以追溯到60多年前。
 
包括核军舰在内,已经积累了12,000多年的船舶推进操作经验,核能为商业船舶供能提供了独特的优势,包括:
 
无运行和意外空气污染物或液体燃料排放;

多年不需要加油;

无可燃燃料火灾危险;

不需要大型船上和港口燃料储罐;

高可靠性;

减少电力系统的体积;

无需加油,加快港口周转时间;

对燃料价格的变化不敏感,因为燃料只占发电成本的很小一部分。

 民用核能船舶未来的图7


目前,全球有超过60,000艘重达1,000吨的商船在运营,海上货物运输和休闲游轮仍然是国际商业的重要组成部分,预计未来还会增长。
 
有一种趋势,船只会更大,亚洲、欧洲和北美之间新的北极海上航线更加频繁。
 
由于散货船、油轮和集装箱船占2020年所有商业航运二氧化碳排放量的85%,这三种船型最有可能受益于核能的使用。
 
此外,自1959年“列宁”号以来,俄罗斯的许多船只开始服役,这表明破冰船的独特优势,其他国家可能会利用较短的北极航线,采用核动力船舶推进。
 
必须承认,民用核动力船舶部署存在一些障碍,包括需要获得船旗国和到访港口的监管认证,以及证明具有竞争力的经济运营成本的要求,包括退役和最终去污的效果。
 
此外,与所有使用“核”的事物一样,公众对安全案例的宣传和接受,对于核船舶部署的成功增长至关重要。
 
环境保护的要求,对更大型、更多商业船舶的需求日益增长,以及北极海路的吸引力,为核电在商业船舶供能方面发挥重要作用提供了机会。

文章来源:嘿嘿能源heypower

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