1968 年 7 月，美國陸軍將世界上第一座浮動核電站 Sturgis 派往巴拿馬運河，以幫助克服區(qū)域水力發(fā)電廠短缺的問題，該地區(qū)的水力發(fā)電廠短缺因嚴重干旱和運河區(qū)船舶交通量增加而惡化. 斯特吉斯(圖 1)配備了一個 45 MWth/10 MWe MH-IA 壓水反應(yīng)堆 (PWR)——陸軍建造的最后一個反應(yīng)堆，它一直運行到 1976 年，直到軍方將其從該地區(qū)撤出，比最初預(yù)期的時間長了五年，產(chǎn)生了 356 GWh。
【資料圖】
1. 斯特吉斯號，一艘前二戰(zhàn)時期的自由艦，在20世紀60年代被改造成第一個浮動核電站。
雖然斯特吉斯號展示了浮動核電的關(guān)鍵屬性--包括可靠性和復(fù)原力--但它并沒有被輕易復(fù)制，盡管工業(yè)界做出了巨大的努力，如西屋公司20世紀70年代的 "海上電力系統(tǒng) "計劃和公共服務(wù)電力和天然氣公司的4.6吉瓦大西洋核電站。但是，在全球迫切需要增加新的核電能力以應(yīng)對現(xiàn)代電力挑戰(zhàn)的推動下，人們對浮動核電站的興趣似乎正在增強。
一個關(guān)鍵的賣點：靈活性
浮動核電站的關(guān)鍵賣點是固定的靈活性。行業(yè)觀察家認為，新興的設(shè)計可以加速既定的核電模式的轉(zhuǎn)變，今天的核電模式完全基于大型集中式工廠，轉(zhuǎn)向分布式發(fā)電，以滿足電力以外的多種能源消費需求，包括熱能、海水淡化以及氫氣和氨氣的生產(chǎn)。
此外，專家指出，核動力早已存在——甚至早于商業(yè)核工業(yè)——并且制造方法已經(jīng)在商業(yè)造船廠大規(guī)模存在。而且，正如電力研究所 (EPRI)在最近的一份報告中指出的那樣，1970 年代的大西洋核電站也確立了監(jiān)管先例。EPRI 指出：“作為這項工作的一部分，商業(yè)海上應(yīng)用的環(huán)境和監(jiān)管審查程序得到了實施和證明，達到了工廠制造的授權(quán)點。在整個 1970 年代，一家私營企業(yè)尋求對離岸電力系統(tǒng)提案進行州和聯(lián)邦監(jiān)管審查，該提案要求在美國東海岸外建造多個工廠制造的浮式反應(yīng)堆?！?在美國，監(jiān)管審查“總體上是積極的，并產(chǎn)生了最終的環(huán)境聲明，其中包括建議頒發(fā)許可證，以便在專門建造的類似造船廠的設(shè)施中遠程建造核電站。
然而，今天，只有另外一個浮動核電站已經(jīng)完成并部署。Rosatom的駁船式Akademik Lomonosov電廠，該核電站于2020年5月開始在西伯利亞北岸的偏遠礦區(qū)Pevek供電和供熱。該核電站包括沿?；A(chǔ)設(shè)施和配備兩個35 MW KLT-40S 熱中子能譜 PWR的浮動發(fā)電廠裝置。
然而，更多的俄羅斯項目已經(jīng)在醞釀之中。中國造船廠惠生重工于 2022 年 8 月在楚科奇自治區(qū)納格萊寧角附近開工建造了四個海上作業(yè)浮式工廠中的第一個。該項目預(yù)計到2027年停泊在俄羅斯北極地區(qū)，將有兩個Atomenergomash集團的RITM-200S壓水堆--合計105兆瓦--安裝在一個140米長的駁船上。
"這個項目對我們來說很特別，有幾個原因：Atomenergomash有史以來第一次將自己確立為最終產(chǎn)品--浮動動力裝置的供應(yīng)商，我們從頭到尾都負責。第二，我可以說這是整個[浮動核電站機組]家族歷史的開始，具有完整的容量和用途范圍--北極和熱帶版本，"Atomenergomash公司總經(jīng)理Andrey Nikipelov說。
在北美，NuScale Power和Prodigy Clean Energy(加拿大小型模塊化反應(yīng)堆海洋發(fā)電廠的設(shè)計者)在2022年10月宣布了他們 "可運輸和基于海洋的小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)發(fā)電設(shè)施 "的新概念設(shè)計，該設(shè)計基于NuScale的陸上VOYGR發(fā)電廠產(chǎn)品。這一里程碑標志著兩家公司在2018年簽署的諒解備忘錄下的下一個關(guān)鍵步驟，即把 "一個有競爭力的北美SMR海洋設(shè)施推向市場"。
2. NuScale Power和Prodigy Clean Energy的海洋發(fā)電站的藝術(shù)演繹。
Prodigy公司表示，其SMR海洋電站(MPS，圖2)可以容納1至12個NuScale電力模塊，總輸出功率為924兆瓦。它補充說："與陸地部署相比，使用Prodigy公司的技術(shù)部署NuScale VOYGR SMR電站的好處首先是在船廠制造和裝備整個海洋設(shè)施，實現(xiàn)快速交付。
"進一步的優(yōu)勢包括大幅減少資本支出;加快項目進度;最大限度地減少現(xiàn)場準備;減少環(huán)境影響;釋放項目融資結(jié)構(gòu)，這通常是傳統(tǒng)現(xiàn)場建造的核電站所不具備的;以及簡化和加快退役和現(xiàn)場恢復(fù)。海洋設(shè)施的設(shè)計是標準化的，可以在各種場地部署，并可進行批量制造"。
浮動熔鹽反應(yīng)堆平臺
駁船式先進反應(yīng)堆概念的開發(fā)也在加快，主要是在亞洲。2022年12月，認證機構(gòu)和核電技術(shù)開發(fā)商必維國際檢驗集團(BV)宣布，它與ThorCon公司簽訂了一項協(xié)議，對在印度尼西亞運營的500兆瓦熔鹽核電駁船進行技術(shù)鑒定和 "后續(xù)開發(fā)"。
該概念將一個熔鹽發(fā)電廠整合到一個浮動的駁船船體中，該船將被拖到一個淺水區(qū)，然后壓載到海床上。BV說："來自必維國際檢驗集團核認證部門和海洋與離岸部門的專家將在整個過程中進行合作，一個關(guān)鍵的工作領(lǐng)域?qū)⑹谴_定適用的標準、規(guī)范和等級規(guī)則，與目前可用的標準、規(guī)范和規(guī)則的潛在差距，并在必要時制定新的指導(dǎo)說明和規(guī)則。"
BV預(yù)計，技術(shù)鑒定過程將至少需要三年時間。如果成功，部署階段將需要另外兩年時間。ThorCon公司將把東南亞作為其第四代先進核電設(shè)計的主要市場，對于該公司來說，技術(shù)鑒定標志著一個重要步驟。該公司說，它已經(jīng)與印度尼西亞邦加-比利通省、印度尼西亞國家電力公司PLN和該國核能監(jiān)管機構(gòu)BAPETEN就示范和最終安裝500兆瓦電廠的潛在地點進行了討論。與目前的核反應(yīng)堆不同，ThorCon反應(yīng)堆在低壓下運行并使用液體燃料。它說："液體燃料使工作溫度高得多，導(dǎo)致更高的效率，同時也實現(xiàn)了完全的被動安全(不需要操作者的行動，也不需要對電源進行干預(yù)以停止反應(yīng))?！?/p>
另一個分別取得類似進展的浮動核液體燃料概念是由韓國三星重工(SHI)和丹麥技術(shù)公司Seaborg Technologies帶頭提出的。1月初，三星重工報告說它的緊湊型熔鹽反應(yīng)堆(CMSR)動力駁船獲得了美國船級社的原則批準(AIP)。美國船級社的AIP標志著技術(shù)鑒定過程中的一個重要里程碑，該過程由全球船級社和技術(shù)咨詢服務(wù)提供商監(jiān)督，主要是確認擬議的早期概念符合所需的行業(yè)規(guī)范和標準。
3. 丹麥公司Seaborg已與三星重工合作開發(fā)緊湊型熔鹽反應(yīng)堆(CMSR)動力駁船。
Seaborg在2017年推出的CMSR概念(圖3)是一個250兆瓦時/100兆瓦的熔鹽反應(yīng)堆，設(shè)計用于模塊化浮動核電駁船。該概念源于Seaborg的第一個反應(yīng)堆設(shè)計工作，即熔鹽熱廢爐(MSTW)，這是一個陸地上的270兆瓦時/115兆瓦時的熔融氟化鹽反應(yīng)堆，它具有石墨慢化劑。
Seaborg解釋說："在這些反應(yīng)堆中，熔鹽既是液體核燃料，也是在閉環(huán)初級系統(tǒng)中持續(xù)循環(huán)的冷卻劑，在大氣壓或接近大氣壓下運行。反應(yīng)堆堆芯是由燃料/冷卻劑管道陣列形成的，這些管道穿過反應(yīng)堆容器內(nèi)的慢化劑?！?/p>
然而，CMSR使用了一種 "專有的液體慢化劑，使反應(yīng)堆堆芯的尺寸約為具有可比功率等級的石墨慢化劑堆芯的1/8，如MSTW"。Seaborg指出，這種規(guī)模非常適合于海洋應(yīng)用，但這種設(shè)計固有的安全和加油功能也很適合。熔鹽反應(yīng)堆的設(shè)計是通過定期調(diào)整熔融燃料/冷卻劑中的濃縮氟化鈾鹽的數(shù)量來進行在線加油，以維持近期的電力運行。在緊急情況下，整個庫存的熔融燃料/冷卻劑可以從主系統(tǒng)排入反應(yīng)堆下的臨界安全排水槽，相反，民用船用壓水堆包含足夠的濃縮鈾，以維持在兩次加油之間持續(xù)數(shù)年至十年的運行周期。海上壓水堆的嚴重事故現(xiàn)象可能包括反應(yīng)堆堆芯中的氫氣生成(來自熱鋯水反應(yīng))和堆芯熔化。這些事故現(xiàn)象不可能發(fā)生在CMSR中。
Seaborg的概念被設(shè)計為安裝在一個平底的、無推進力的駁船上，由至少三個模塊部分組成：船頭、容納兩到八個CMSR的動力模塊和 "住宿/控制部分"。2022年4月，Seaborg與SHI建立了重要的合作關(guān)系，制造和銷售 "可停泊在工業(yè)港口并連接到陸上電網(wǎng)的 "交鑰匙電站。這些合作伙伴還發(fā)起了一項努力，開發(fā)由CMSR提供動力的氫氣生產(chǎn)和合成氨工廠。然而，他們指出，這些裝置的設(shè)計 "將被優(yōu)化，以便在SHI的船廠進行有效的系列建造"。
作為一個模塊化的浮動發(fā)電廠設(shè)計，CMSR可以在24年的使用壽命內(nèi)向電力緊張的發(fā)展中國家提供高達800兆瓦的電力。該公司聲稱："選址和設(shè)施限制相對較少，施工期短至兩年左右，而且成本低。目前，SHI計劃在完成所有發(fā)電設(shè)施的詳細設(shè)計后，于2028年實現(xiàn)CMSR動力駁船的商業(yè)化?！彼赋?，系列化生產(chǎn)可能在2030年開始。這兩家公司承認，鑒于缺乏成熟的法規(guī)來充分解決新型海洋反應(yīng)堆設(shè)計的核安全問題，這個時間表可能是樂觀的。
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