核动力民用船舶

“行-热”核动力民用船舶

我们知道核电站运行带来的经济、环境上的巨大好处，也听说过核动力航母、潜艇的巨大威力，但几乎没听过核动力在民用船舶上的应用。随着石油价格的飙升（106.53美元/桶），世界对环境保护的要求加强，以及发达国家利用能耗问题对我国船舶工业的打击日益严重，我们不得不考虑利用非常规动力的新能源船舶，来满足日益增长的交通需求。俄罗斯“列宁号”破冰船的良好运行说明在现在的科学发展水平的影响下，核动力是最佳选择。

核动力就是通过由核裂变、核聚变或者放射性衰变等不同方式释放热能加热工质的核反应堆、热工质输送系统、循环系统、冷却系统, 以及控制保障等配套系统组成的核能发动机。与目前主流的柴油机动力推进船舶相比，核动力推进的船舶具有明显的比较优势。

在船舶上使用核动力装置，能使船舶的性能大大改善，速度加快，一次装料，航行能力达百万公里以上。核反应中核裂变无需氧气, 也不会产生废气, 按照国际标准设计建造的核反应堆性能可靠, 可以连续运用数年而无须添加燃料,这是石油等其它能源无法比拟的, 至于在成本方面, 核动力优势更加明显。而经济学家和企业家最关心的不就是商船的高速度、高性能、高运量、低成本高效益和高投资回报率吗？所以说，核反应堆的利用使远洋船舶动力技术进入新的时代。

它的突出优越性表现在：

（1）首先，核动力船舶不依赖化石燃料，可实现污染零排放，在整个营运过程中是一种非常彻底的环境友好型绿色船舶；

(2)利用核动力作为舰船的推进装置其最大的优点是不需要大量的燃料储备就能长期航行，续航力可以说是没有限制的。以一艘排水量为5万吨级的远洋船舶为例，若采用核反应堆作动力，在不补充核燃料的条件下，连续航行一年，航程可达几万海里，只消耗几十公斤的铀－235。而普通远洋船舶一年就要烧掉几万吨的煤或重油，且非要在各地海港上添加燃料不可。核动力舰船就省去了装载燃料的停泊时间，同时增加了航行时间。一般一艘核动力舰船反应堆一次装料可连续运行几年，最新设计的船用核动力反应堆从下水投入航运起至舰船退役不须更换核燃料，反应堆与舰船同寿期。对于洲际海区缺乏海港的地带，核动力舰船更显示出其优点，因此，可为船东高速化营运、提高航运效率和周转率提供硬件保障；

(3)采用核动力使舰船的有效载重量提高，有利于提高舰船的航速。普通舰船由于装载了大量储备燃料而减少了有效载重量，舰船的吨位越大相应储备燃料装量也越大，按比例增加。但若改用核动力，则所装载的核燃料重量几乎可以忽略不计，核动力船舶无须设置专门的排气管、烟囱、燃油舱及燃油系统,而且随着舰船的吨位加大，核动力舰船中动力装置重量比例更小，可以大大节省船舶空间，提高船舶货舱的装载量或布置更多作业设备，从而大幅提高船体空间的利用效率；

（4）相对于在航行中利用太阳能，风能等能源，核动力船舶的技术相对成熟可靠、能源利用效率高，更易于船东、投资者接受；

（5）船舶对发动机要求很高，这样威力强大、可以持续平稳运营的船用核动力发动机则相对简便得多。

自上个世纪50年代以来，从技术和经济角度来看，核动力用于民用船和商用船的意义很大。且前苏联核动力破冰船的成功航行在技术上证明了核动力民用船舶的可行性。至于经济不可行性主要是是因为当时油价低，而现在油价已经上涨到100美元一桶，并会继续上涨，加上核技术的进步，用核动力作为能源的成本必然低廉。而且行波堆，热管堆的应用必然也将提高核动力的安全性。

核动力民用商船有着广泛的应用范围。其一，随着对极地，海洋资源的考察开发，对考察船的性能要求越来越高，因此包括极地考察船在内的破冰船是首先值得考虑的船型。破冰船往往需要较大的推进力并拥有可携带诸多作业设备的空间，而且需要很大的功率, 在破冰

期间, 燃料消耗很大, 距北极很远; 在遥远的北极地区，换料是很困难的, 以及破冰船不需要停泊外国港口。因此，未来的极地作业船完全可以考虑采用核动力推进。其二，超大型集装箱船和固定航线的远程矿砂船也可采用功率较大的核动力装置，可将航速提至40节左右，以提高运输效率以及经济效益。其三，由于固定在海上的特性，大型海上浮式生产储油船（FPSO）可直接规避现有海事及船旗国的法规限制，而且对海洋海洋石油的开采需要大量能量，因此，也可以考虑使用核动力装置。其四，将一定数量的核动力海上充电站定点部署于重要远洋航线上，为未来使用电池动力的商船提供充电服务，也是核动力装置应用的潜在领域。

在技术方面核技术的发展给了我们很多选择，我们设想利用行波堆，热管堆结合的方式来构造新型核动力。利用行波堆产生能量，利用热管技术导热及冷却核反应堆。

“行波堆”技术可以直接利用以往被废弃的铀同位素，使核能原料利用率提高五六十倍甚至更多。“行波堆”的另一大优势就是不需换料及后处理，可大大提高运行安全性，更能极大降低核扩散风险。这样商船发生碰撞而导致核扩散的危险大大降低。即使落入海盗或恐怖分子的手里也不会被利用制造核武器。

热管是一种利用汽化和冷凝的高潜热、毛细抽吸现象及无需外界动力而能够进行传热的高效节能元件。热管是通过管内工质的相变化来实现传热的。热管是60 年代中期出现的1 种高效传热元件, 当时它是为解决空间飞行器内电子设备的散热及发展空间核电源而研制的，那么把热管应用在民用船舶核动力上也是可行的。热管传热具有下述优点:

1) 良好的等温性，蒸汽压力增加时热管的等温性会更好。

2) 可变换热通量，热管中的蒸汽和冷凝过程在通道空间中是分开的。

3) 温控和恒温，传热功率在大范围内变化时, 管内的温度变化甚小。

4) 远距离传热：分离式热管的蒸发段和冷凝段可相隔一定距离, 两者用蒸汽上升管和冷凝液下降管连接以实现远距离传热。

此外, 热管自重轻, 无运动部件, 基本上不需维修。热管自成一体, 在热管换热系统中, 少数热管损坏不影响整个热管换热系统的运行, 实现了换热介质的有效分隔。用热管移走堆芯热量的可靠性高。单支热管若意外失效, 不影响整个堆芯的正常工作, 失效热管所应传递的热量由邻近热管以传导和辐射形式移走。其次, 可省去循环冷却液的机械泵或电磁泵, 管路阀门系统也相继简化。由于热管直接和后续热电转换系统相连, 又省去了堆芯冷却剂及其和外回路之间的换热器。热管是靠管壳内工作液体的汽化及冷凝相变过程来完成热量输送, 管内充装液体量大大少于常规方式冷却堆芯所需的冷却剂量, 缓解了冷却剂被活化引起的

腐蚀问题。

并且利用热管技术能应对堆芯失冷事故。堆芯失冷是核反应堆的重大事故。高温高压冷却剂大量流失释放出来的高温蒸汽将引起安全壳超温超压, 并有可能破裂造成严重后果。由于热管良好的导热性，运用热管的停堆释热，用热管排走核废料衰变热也是可行的。采用热管强化了散热，保证了冷却效果。另外任何一支热管破裂都不会使安全壳内外沟通, 单根热管只有两端同时破裂才会出现安全壳内外沟通的情况, 而这种可能性几乎是不存在的。这些都有助于在事故条件下的安全壳体保护。

当然，民用核动力船舶研究的风险也是明显的，这些风险主要来自经济、技术、法规以及社会认知等方面。尽管如此，开展民用核动力船舶研究对我国船舶工业未来发展仍有重要战略意义。