作為船舶行業(yè)與核能行業(yè)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，浮動(dòng)式核電站近年來(lái)發(fā)展迅猛，其熱度在全球脫碳化的大背景下不斷上升，成為了世界各主要國(guó)家創(chuàng)新能源保障方式、優(yōu)化海洋能源結(jié)構(gòu)的重要選擇之一。相比傳統(tǒng)核電站，浮動(dòng)式核電站具有一次裝料運(yùn)行周期長(zhǎng)、功率密度大、機(jī)動(dòng)性好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，并且對(duì)部署條件并無(wú)苛刻要求，不存在選址問(wèn)題。同時(shí)，浮動(dòng)核電站的功能更加多樣性，其所產(chǎn)生的核能不僅可以用于發(fā)電，還能夠用于局部區(qū)域供熱、海水淡化等項(xiàng)目，在能源供給方面表現(xiàn)出了極強(qiáng)的靈活性，能夠有效擴(kuò)展核能的應(yīng)用。目前，美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)以及韓國(guó)等國(guó)均重點(diǎn)關(guān)注浮動(dòng)式核電站領(lǐng)域，相繼開(kāi)展了各自的前沿性研究項(xiàng)目，旨在構(gòu)建核電能源的多元化應(yīng)用市場(chǎng)，搶占浮動(dòng)式核電站領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展先機(jī)。
一、浮動(dòng)式核電站的整體概況
(一)美國(guó)最先提出海上浮動(dòng)式核電站概念，并重點(diǎn)發(fā)展梁式核電站
20世紀(jì)50年代，基于核動(dòng)力船舶的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)、蘇聯(lián)等國(guó)積極探索核能的多領(lǐng)域應(yīng)用前景，開(kāi)啟了核能飛機(jī)、火箭與汽車(chē)等多個(gè)探索性研究項(xiàng)目。但在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與政治等多重負(fù)面因素的疊加影響下，大部分項(xiàng)目均在初步探索后被放棄，只有美國(guó)開(kāi)發(fā)的SL2小型核電裝置進(jìn)入了實(shí)質(zhì)階段。該裝置的研發(fā)目的是為阿拉斯加等偏遠(yuǎn)地區(qū)的軍事基地供電，但由于設(shè)計(jì)缺陷，該裝置在發(fā)生堆芯熔化事故后被廢止。在此之后，美國(guó)軍方又于1963年設(shè)計(jì)了搭載在“斯特吉斯”號(hào)(Sturgis)駁船上的MH-1A核電裝置，主要用于巴拿馬運(yùn)河地區(qū)的供電，該裝置從1968年運(yùn)營(yíng)至1975年，最終因運(yùn)營(yíng)費(fèi)用過(guò)高與軍方計(jì)劃變更而退役。
(資料圖片僅供參考)
2014年，美國(guó)麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)提出一種“近海漂浮核電站”(Offshore Floating Nuclear Plant，OFNP)設(shè)計(jì)概念，即所謂的梁式(Spar Type)核電站。該型核電站外形是一個(gè)巨大的圓柱體，內(nèi)部布置了多個(gè)水密封艙隔間，底部搭載了核反應(yīng)堆與冷卻系統(tǒng)，并通過(guò)多點(diǎn)系泊系統(tǒng)，以半潛式的形態(tài)固定在離岸10km~20km的海水之中。在該型核電站的頂部，還設(shè)計(jì)有工作樓、生活樓以及停機(jī)坪等建筑，方便核電站工作人員的生產(chǎn)與生活。作為目前國(guó)際主流的浮動(dòng)式核電站形式之一，梁式核電站在抗地震、環(huán)保等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，并且在發(fā)生反應(yīng)堆事故時(shí)，能夠通過(guò)打開(kāi)水密艙來(lái)利用無(wú)盡的海水對(duì)反應(yīng)堆進(jìn)行冷卻，比傳統(tǒng)核電站更具安全性。
(二)俄羅斯建造并成功運(yùn)營(yíng)全球首座駁船式核電站
冷戰(zhàn)期間，美蘇兩國(guó)對(duì)核能的開(kāi)發(fā)利用使核電技術(shù)得以快速發(fā)展。蘇聯(lián)解體后，俄羅斯憑借相關(guān)技術(shù)積累，在核能應(yīng)用領(lǐng)域取得了諸多成就。特別是在國(guó)家原子能集團(tuán)公司(Rosatom)成立之后，俄羅斯對(duì)核電生產(chǎn)、核電出口等環(huán)節(jié)進(jìn)行了全面升級(jí)，核電技術(shù)水平得到了進(jìn)一步的提升。2019年，國(guó)家原子能集團(tuán)公司開(kāi)始建造“羅蒙諾索夫院士”號(hào)(Akademik Lomonosov)駁船式(Barge Type)核電站。該駁船長(zhǎng)約144米，寬約30米，排水量21500噸，搭載了2座35MW的改良型KLT-40S型反應(yīng)堆，可提供高達(dá)70MWe的功率以及300MWt的熱能，整體運(yùn)行壽命約為40年。2020年5月，“羅蒙諾索夫院士”號(hào)核電站在俄羅斯遠(yuǎn)東楚科奇自治區(qū)(Chukotskiy)實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營(yíng)，可滿(mǎn)足當(dāng)?shù)鼐用褚约肮I(yè)企業(yè)電力、供暖、海水淡化等多種需求。
盡管“羅蒙諾索夫院士”號(hào)并未配備推進(jìn)系統(tǒng)，但其能夠通過(guò)拖船輕松移動(dòng)到任何所需作業(yè)海域，在機(jī)動(dòng)性方面表現(xiàn)較為出色。同時(shí)，該核電站采用了較為成熟的大型船舶制造技術(shù)，因此在技術(shù)成熟度、造價(jià)成本等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在開(kāi)發(fā)生產(chǎn)運(yùn)用方面表現(xiàn)突出。此外，該核電站是迄今為止世界上唯一運(yùn)營(yíng)的浮動(dòng)式核電站和世界上最北端的核裝置，其成功運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)于世界范圍內(nèi)大規(guī)模建設(shè)浮動(dòng)式核電站具有重要意義。
(三)法國(guó)利用傳統(tǒng)核電優(yōu)勢(shì)，致力于發(fā)展下沉式核電站
在核電應(yīng)用領(lǐng)域，法國(guó)長(zhǎng)期走在世界前列，并成為了當(dāng)前世界上核能發(fā)電比例最高的國(guó)家。根據(jù)國(guó)際能源署(International Energy Agency，IEA)的數(shù)據(jù)，法國(guó)2021年的核電發(fā)電量占到總發(fā)電量的69%，遠(yuǎn)超水力發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電以及天然氣發(fā)電。憑借著傳統(tǒng)核電優(yōu)勢(shì)，法國(guó)于2008年開(kāi)始對(duì)浮動(dòng)式核電站進(jìn)行研究。法國(guó)核潛艇制造商DCNS公司(現(xiàn)Naval Group)以核潛艇為設(shè)計(jì)原型，提出了一種名為“Flexblue”的下沉式(Submerged Type)、柱形全模塊化移動(dòng)式核電站設(shè)計(jì)概念，并聯(lián)合阿海琺(Areva)、法國(guó)電力集團(tuán)(Electricite de France，EDF)等大型核電企業(yè)對(duì)其進(jìn)行研發(fā)。
該型核電站采用了與核潛艇類(lèi)似的小型壓水反應(yīng)堆技術(shù)，輪機(jī)與交流發(fā)電機(jī)部分被分割到了不同的模塊之中。在建造過(guò)程中，該型核電站可利用艦艇模塊化建造技術(shù)在船廠(chǎng)進(jìn)行組裝，而后通過(guò)船舶運(yùn)輸至工作海域，在工期與成本方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。其安裝地點(diǎn)為深60m~100m、離岸5km~15km位置的海床上，安裝方式可根據(jù)地震的危害程度，模塊或者水平固定在海床上，或者正浮懸掛在距離海床幾米高的位置。安裝完成后，該型核電站可通過(guò)電纜為岸上用戶(hù)輸送電力，能夠有效避免波浪和臺(tái)風(fēng)等惡劣的海洋環(huán)境條件的影響。此外，該型核電站與美國(guó)的梁式核電站設(shè)計(jì)概念相似，能夠在突發(fā)情況下利用海水對(duì)反應(yīng)堆進(jìn)行冷卻，安全性相對(duì)較高。
(四)韓國(guó)聚焦重力座底式核電站，探尋新的核電技術(shù)發(fā)展路徑
二戰(zhàn)結(jié)束后，韓國(guó)成立了原子能研發(fā)機(jī)構(gòu)，并于1957年加入國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(International Atomic Energy Agency，IAEA)，意在同時(shí)推進(jìn)核武器與核電技術(shù)的研發(fā)工作。但由于美國(guó)的介入，韓國(guó)的核武器計(jì)劃被迫中止，但其核電技術(shù)得以快速發(fā)展?，F(xiàn)階段，韓國(guó)已成功躋身核能大國(guó)行列，并具備自行研發(fā)第三代核電技術(shù)的能力，其境內(nèi)擁有24座核電站，核能發(fā)電量占總發(fā)電量的比重接近30%。在浮動(dòng)式核電站領(lǐng)域，韓國(guó)提出了重力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)式(Gravity-Based Structure Type，GBS)核電站設(shè)計(jì)概念，旨在探尋新的核電技術(shù)發(fā)展路徑。
GBS型核電站以模塊化設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行建造，隨后通過(guò)拖船將建造好的重力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模塊拖曳至海上浮動(dòng)核電站系泊點(diǎn)，并利用壓載系統(tǒng)將其放置在海床上，最后利用鋼筋、后張鋼索和水泥漿將其進(jìn)行剛性連接，將其用作核電裝置的承載平臺(tái)。因其承載結(jié)構(gòu)具有單一性，所以能夠有效降低管線(xiàn)和電纜的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，并能夠減少地震帶來(lái)的影響。同時(shí)，該型核電站設(shè)計(jì)概念處于陸上和海上核電站之間，可以部分減輕惡劣海洋條件對(duì)其載體造成的影響。不過(guò)，GBS型核電站與其他類(lèi)型的浮動(dòng)式核電站相比還存在一定劣勢(shì)，目前仍無(wú)法避免海嘯的影響。
二、浮動(dòng)式核電站的發(fā)展困境
現(xiàn)階段，除俄羅斯成功實(shí)現(xiàn)了浮動(dòng)式核電站的商業(yè)運(yùn)營(yíng)外，其他各國(guó)的相關(guān)項(xiàng)目仍處在研發(fā)階段，浮動(dòng)式核電站整體仍處在商業(yè)化前期，距離世界范圍內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用還有著一定距離。同時(shí)，浮動(dòng)式核電站在技術(shù)成熟度方面與傳統(tǒng)核電站相比還存在差距，在其發(fā)展過(guò)程中仍面臨著諸多未知風(fēng)險(xiǎn)。此外，受福島核電站(Fukushima Nuclear Power Plant)泄漏事件的影響，個(gè)別國(guó)家對(duì)于浮動(dòng)式核電站的發(fā)展仍持謹(jǐn)慎態(tài)度，公眾接受度有待進(jìn)一步提升?？傮w來(lái)看，浮動(dòng)式核電站的發(fā)展仍面臨諸多困境。
在市場(chǎng)層面，浮動(dòng)式核電站的市場(chǎng)戰(zhàn)略定位難以統(tǒng)一，在國(guó)際商務(wù)進(jìn)出口過(guò)程中面臨諸多障礙。目前，俄羅斯對(duì)于浮動(dòng)式核電站的市場(chǎng)定位相對(duì)清晰，其運(yùn)營(yíng)模式初定為“建造-運(yùn)營(yíng)-轉(zhuǎn)移”(Build-Operate-Transfer，BOT)，并且在細(xì)分市場(chǎng)領(lǐng)域，“羅蒙諾索夫院士”號(hào)同步聚焦核能發(fā)電與海水淡化，未來(lái)發(fā)展前景相對(duì)廣闊。但美國(guó)、法國(guó)以及韓國(guó)等國(guó)的相關(guān)項(xiàng)目仍處于設(shè)計(jì)和研發(fā)狀態(tài)，基本以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)電力需求為主，在細(xì)分市場(chǎng)應(yīng)用方面尚處于探討階段，致使浮動(dòng)式核電站的整體市場(chǎng)戰(zhàn)略定位難以統(tǒng)一。同時(shí)，浮動(dòng)式核電站在世界核能領(lǐng)域?qū)儆谛滦彤a(chǎn)品，不僅在建造、調(diào)試、運(yùn)行、退役有其難點(diǎn)，而且在其國(guó)際商務(wù)進(jìn)出口過(guò)程中也有著獨(dú)特的操作性，受商務(wù)方案選擇、責(zé)任劃分、安全性保障、運(yùn)輸與實(shí)物保護(hù)以及國(guó)際監(jiān)管等多重因素的影響，整體發(fā)展依舊存在諸多問(wèn)題。
在技術(shù)層面，浮動(dòng)式核電站易受海洋環(huán)境條件影響，且難以滿(mǎn)足相關(guān)設(shè)備設(shè)施的空間要求，容易產(chǎn)生“共因故障”。浮動(dòng)式核電站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)在海洋環(huán)境中，容易受到鹽霧、霉菌以及海洋生物的影響，產(chǎn)生系統(tǒng)管路與設(shè)備腐蝕、海生物附著等破壞性問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致管道換熱性能下降或損壞，影響其正常運(yùn)行。同時(shí)，海洋環(huán)境容易導(dǎo)致浮動(dòng)式核電站系統(tǒng)空間位置的周期性變化，并引入周期性變化所帶來(lái)的附加慣性力場(chǎng)，這些因素能夠直接影響介質(zhì)的水力和傳熱特性，進(jìn)而影響反應(yīng)堆的物理特性，最終對(duì)核電站的系統(tǒng)造成損害。此外，與傳統(tǒng)核電站相比，浮動(dòng)式核電站的內(nèi)部空間相對(duì)較小，因此其內(nèi)部設(shè)備在體積與重量方面有著嚴(yán)格的限制標(biāo)準(zhǔn)，其安全設(shè)施也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)于多重性、多樣性、獨(dú)立性的要求，容易產(chǎn)生“共因故障”(Common Cause Failure)，即因特定單一故障而導(dǎo)致若干設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)故障。
在監(jiān)管層面，相關(guān)政策法律與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚不全面，國(guó)際海上核能監(jiān)管體系亟待進(jìn)一步完善。浮動(dòng)式核電站在發(fā)展的過(guò)程中，涉及設(shè)計(jì)與建造、安全與應(yīng)急、運(yùn)行與監(jiān)管等諸多環(huán)節(jié)，需建立相對(duì)完備的政策法律與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，以更好地對(duì)其發(fā)展進(jìn)行監(jiān)管。然而，目前國(guó)際上相關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn)尚未健全，我國(guó)也未建立相應(yīng)的政策標(biāo)準(zhǔn)體系。現(xiàn)階段，國(guó)際上針對(duì)浮動(dòng)式核電站研建的總體指導(dǎo)和相關(guān)要求主要包括《不擴(kuò)散核武器條約》(Treaty on the Non-Proliferation of Nuclear Weapons，NPT)、《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》(United Nations Convention on the Law of the Sea，UNCLOS)以及《國(guó)際海上人命安全公約》(International Convention for Safety of Life at Sea，SOLAS)等綜合性文件，但這些文件所涵蓋的內(nèi)容有限，無(wú)法對(duì)浮動(dòng)式核電站的發(fā)展做出針對(duì)性指導(dǎo)。此外，盡管美國(guó)、英國(guó)以及俄羅斯等國(guó)近年來(lái)相繼發(fā)布了各自的浮動(dòng)式核電站研建指導(dǎo)文件與政策標(biāo)準(zhǔn)，但仍不足以支撐浮動(dòng)式核電站發(fā)展的整體要求，其發(fā)展仍面臨政策標(biāo)準(zhǔn)不完善、監(jiān)管體系不健全等問(wèn)題，亟待建立更加完備的海上核能監(jiān)管體系。
三、浮動(dòng)式核電站的未來(lái)展望
盡管浮動(dòng)式核電站的發(fā)展仍面臨諸多困境，但隨著相關(guān)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，以及全球脫碳化趨勢(shì)的不斷深入，浮動(dòng)式核電站的發(fā)展速度定將進(jìn)一步加快。同時(shí)，以美國(guó)、俄羅斯為代表的傳統(tǒng)核能大國(guó)將持續(xù)加大在浮動(dòng)式核電站領(lǐng)域的投入，以在滿(mǎn)足本國(guó)電力需求的同時(shí)，搶占浮動(dòng)式核電站的發(fā)展高地?？傮w來(lái)看，浮動(dòng)式核電站的未來(lái)發(fā)展將呈現(xiàn)如下兩大趨勢(shì)。
一是駁船式核電站技術(shù)將愈發(fā)成熟，并將逐步成為浮動(dòng)式核電站的主流發(fā)展方向。與其他類(lèi)型的浮動(dòng)式核電站相比，駁船式核電站的發(fā)展歷史最為久遠(yuǎn)，且其采用的駁船形式能夠發(fā)揮傳統(tǒng)造船行業(yè)的優(yōu)勢(shì)，助力浮動(dòng)式核電站技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，并進(jìn)一步降低其整體研建成本。目前，美國(guó)、法國(guó)與韓國(guó)等國(guó)在發(fā)展各自代表型浮動(dòng)式核電站的同時(shí)，均同步聚焦于駁船式核電站。其中，法國(guó)船級(jí)社(Bureau Veritas，BV)與美國(guó)ThorCon公司于2022年達(dá)成技術(shù)認(rèn)證協(xié)議，將合作開(kāi)發(fā)一種集成在駁船內(nèi)的500MW浮動(dòng)式核裂變發(fā)電站，用于在印度尼西亞運(yùn)營(yíng)。韓國(guó)三星重工(Samsung Heavy Industries，SHI)的駁船式核電站設(shè)計(jì)概念于今年1月獲得了美國(guó)船級(jí)社(American Bureau of Shipping，ABS)頒發(fā)的原則性認(rèn)可證書(shū)，該公司將基于丹麥Seaborg Technologies公司研發(fā)的緊湊型熔鹽反應(yīng)堆技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)其浮動(dòng)式核電站。俄羅斯除“羅蒙諾索夫院士”號(hào)外，還計(jì)劃建造多艘駁船式核電站，以進(jìn)一步提升為遠(yuǎn)東等偏遠(yuǎn)地區(qū)供電的能力。由此可見(jiàn)，各國(guó)正大力推進(jìn)駁船式核電站的研建進(jìn)程，未來(lái)該型核電站將逐步成為浮動(dòng)式核電站的主流發(fā)展方向。
二是浮動(dòng)式核電站的將成為臨海、多海洋國(guó)家實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)的重要選擇，其商業(yè)應(yīng)用前景將更趨廣泛。近年來(lái)，全球季候變暖不斷加劇，引發(fā)了包括冰川融化、極端高溫、森林火災(zāi)等在內(nèi)的一系列災(zāi)害性氣候問(wèn)題，節(jié)能減排已成為全球最為緊迫的議題之一。同時(shí)，隨著全球化石能源價(jià)格的持續(xù)上漲，能源返貧或?qū)⒊蔀槊恳粋€(gè)國(guó)家和地區(qū)發(fā)展道路上都需要面臨的問(wèn)題，能源轉(zhuǎn)型迫在眉睫。在此背景下，水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能以及核能等清潔能源在各國(guó)能源體系中的地位不斷上升，成為了推動(dòng)各國(guó)能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)脫碳化目標(biāo)的重要選擇。作為核能領(lǐng)域的新型產(chǎn)品，浮動(dòng)式核電站不僅能夠節(jié)省大量化石燃料，同時(shí)還能夠有效降低溫室氣體的排放，并避免釋放有害物質(zhì)，在經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于俄羅斯、印度尼西亞等臨海、多海洋國(guó)家而言，浮動(dòng)式核電站具有廣闊的商業(yè)應(yīng)用前景，且其前景會(huì)隨著全球脫碳化趨勢(shì)的不斷深入而更趨廣泛。未來(lái)，隨著相關(guān)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，各國(guó)將更加聚焦于浮動(dòng)式核電站的發(fā)展，以加速推動(dòng)全球能源低碳發(fā)展和綠色復(fù)蘇，為如期實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國(guó)2030年可持續(xù)發(fā)展議程增添動(dòng)能。
四、結(jié)語(yǔ)
浮動(dòng)式核電站憑借著傳統(tǒng)核電站無(wú)法比擬的諸多優(yōu)勢(shì)，已逐步成為了各國(guó)爭(zhēng)先研究的課題之一，擁有著廣泛的發(fā)展前景?，F(xiàn)階段，我國(guó)在浮動(dòng)式核電站領(lǐng)域已開(kāi)展一系列前沿性研究，并取得了一定的成績(jī)，但距離實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)式核電站的商業(yè)運(yùn)營(yíng)還有著一定距離，仍有著較大的進(jìn)步空間。未來(lái)，持續(xù)加大對(duì)浮動(dòng)式核電站的研發(fā)投入，并同步推進(jìn)海上核能監(jiān)管體系的完善工作，對(duì)于我國(guó)海洋權(quán)益維護(hù)、海洋資源開(kāi)發(fā)以及核能應(yīng)用拓展等均具有重要意義。
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