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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