核能在船舶上的运用

核能在船舶上的运用

作者：轮机0906班 邹争 学号：[1**********]15

自世界上第一艘以蒸汽为动力的船舶问世以来，以热机（如柴油机、汽油机以及燃气轮机等）为动力直接驱动螺旋桨的机械推进系统，成为船舶推进的主要方式，在船舶动力装置中占据了主导地位。然而，一部分船舶机械推进系统仍然存在噪音大、调速范围小、灵活性差等难以解决的问题；另一方面随着全球石油资源的耗尽，内燃机将逐步退出历史舞台，人们必须在石油没有用完的60年时间里找到新的能源及其动力装置。这是人类在进入21世纪所面临的巨大困难和挑战之一，因此人们一直都在寻找能源利用率高、不污染环境、可再生的新内能源及其利用方式。就现阶段来说，有希望替代化石能源的能源有：氢能、风能、太阳能、电能、核能等。本文主要通过对比来证明核能在未来船舶能源中的光辉前景极其重要意义。

船舶运用清洁能源的意义

当前，全球航运业一场没有硝烟的“绿色战役”已经打响，世界各国都将围绕“碳排放”而产生新的冲突与博弈，航运业也不可避免地加入到这场持久的“碳减排”大战之中。

此前，在三大运输系统(公路运输、空运和海运)中，海运被认为是最清洁的运输方式，但最新的研究发现，船舶也是重要污染源之一。有报告称，全球每年排放的氮氧化物气体中30%来自海上船舶。据了解，世界上船舶所排放的CO2已经达到11.2亿t(2007年)，约占全球主要温室气体排放量的4.5%。有预测认为，到2020年，全球航运业将需要4亿t燃油，温室气体的排放量将在目前基础上增加75%。

2008年2月22日，中国国家海洋局海洋发展战略研究所课题组发布的《中国海洋发展报告》指出，中国部分海湾和城市附近海域污染严重，近海海域污染范围过去10年间扩大了近1倍，已超过16万km2。此外，原油运输和海上原油开发等造成的原油泄漏事故不断发生，给事发海域的生物和生态系统造成了不同程度的危害。

不仅如此，有研究指出，随着化石能源的日益消耗，人类能开采利用的化石能源将越来越少，但人类不会因为化石燃料的枯竭而停止消耗能源，人类要发展，能源的消耗就会增长，在将来人来开发出替代化石能源的新能源是历史的必然趋势。因此，在将来的航运业中，包括核能在内的清洁能源将愈发受到应有的重视。

核能的实际运用以及在国内外的发展趋势

原子能和平利用的历史要追溯到二战以前。 1954年在库尔恰托夫的主持下，苏联建成了世界上第一座核电站——奥布灵斯克核电站。当苏联国家广播电台宣布这一成果时，世界为之沸腾！它标志着人类和平利用核能的开端。是人类和平利用原子能的成功典范。

50多年来，核能的和平利用越发普及，安全系数也大大提高。现在，全世界有438座核电站在运行，随着人们对核技术的进一步掌握，核能电站就能做的越来越小、功率越来越大、安全系数愈来愈高。因此将核技术运用在船舶上用作船舶的推进技术的可行性是非常大的。

2007年10月，国际科学院委员会(IAC)发表了《未来之路：向可持续能源迈进》和中国科学院(CAS)发表了《应对挑战––构建可持续能源体系》，这两份报告建议：远期到2050年前后，我国总体能源供给结构上对化石能源的依赖度降低到60%以下，可再生能源和核能成为主导能源。从报告来看，国家对于发展核能是持肯定态度的，而民用核动力船舶的开发作为核能综合利用的一个方面，同样具有发展前景。同时，民用核动力船舶的经济性、技术可行性以及安全性方面的问题备受关注。

发展民用核动力船舶，对我国船舶行业而言是一个崭新的课题，但是纵观世界船舶发展史，可以发现已经有若干国家在此方面迈出了第一步。以下举出若干船舶用核能作为动力的先例。

美国“萨娃娜”号于1962年建成，在其商务部海运局的支持下进行商业运营。该船于1964年5月开始进行国际航海，停靠了欧洲14个国家的16个港口。到1965年8月，在达到对核动力民用商船的建造目的后，改为货船投入航行，并得到政府的运营补贴，在欧洲航线航行。1976年6月抵达韩国、台湾、菲律宾等远东地区。1968年9月进行核燃料的换料，又相继投入商业航行，1970年宣布退役。

德国矿石运输船“奥托汉”号于1968年月12月建成。1969年3月到11月在围绕英国一周以及在南太平洋（赤道附近）、北极海、西太平洋（西印度群岛）进行了实验航海。从1970年2月开始投入商业航海，运输摩洛哥的磷矿石、伊朗的铬矿石、阿根廷的谷物货物等。在此期间，在国外访问了22个国家的33个港口，到1979年2月停运，航行了约60万海里（111万公里）。

日本“陆奥”号在1974年8月28日开始的功率提升试验过程中发生了放射性泄漏事故。其后对反应堆屏蔽进行改造及安全总检查，并改变了用途，作为核动力实验船重新进行了功

率提升试验。1991年在北太平洋海面上进行了4次实验航海，1995年完成退役工程。 俄罗斯共建成了9艘核动力破冰船，即列宁号（Lenin）、阿尔库奇卡号（Arctica）、西伯利亚号（Sibir）、俄罗斯号（Rossiya）、塞布摩尔卜奇号(集装箱破冰船)（Sevmorput）、泰米尔号(河流破冰船)（Taimyr）、苏维埃斯克号（Sovetsky·Soyuz）、瓦伊加奇号(河流破冰船)（Vaigachi）以及亚马尔号（Yamal）。其中，列宁号已退役，乌拉尔号（Ural）下水后，基于当时的石油价格造成的经济成本原因，建造中断。目前正在服役的有8艘，计划建造的破冰船有2艘，即超级号破冰船（Super Icebreaker，破冰能力在3.5m以上）和佩贝克（Pevek）号破冰船。

从以上民用核动力船舶的运营状况可以看出：所建成的核动力船舶除了日本“陆奥”号没有进行航运营运外，其余船舶全部投入了实际的商业运营，并且期间并未因核动力装置的技术问题导致重大的海事事故。就其整个运行期的数据而言，美国“萨娃娜”号和德国“奥托汉”号均有到国外港口停靠的记录，而上述被抵达港也对上述核动力商船的停靠采取了接纳态度。事实上，日本“陆奥”号所发生的放射性事故并不是很严重，在技术上完全处于可控范围内，只是因为亲历核灾难的日本国民对核事故极度敏感，才最终导致了该船的夭折。

可以说，早期核动力商船在技术上已经是成熟的，运营上也是成功的。至于“奥托汉”号后来换为常规柴油机动力装置，主要是由于当时的油价偏低，从当时的运营成本上比较，核动力不具有压倒性的优势。如国际原油市场震荡，再次出现上世纪70年代席卷全球的石油危机事件，而相对的国际铀价又在相当长的时期里趋于稳定，则核动力商船的经济优势无疑将凸显出来。

因此可以做出一个相当肯定的结论：只要化石能源有耗尽的一天、只要化石能源的价格居高不下，核能在国际上就会得到应有的重视。

核能与其他能源的相关比较

核能发电的原理：核能（或称原子能）是通过转化其质量从原子核释放的能量，符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程E=mc^2;，其中E=能量，m=质量，c=光速常量。核能通过三种核反应之一释放： 1、核裂变，打开原子核的结合力。2、核聚变，原子的粒子熔合在一起。3、核衰变，自然的慢得多的裂变形式。目前技术最成熟、运用最广泛的是核裂变发电。本文中所描述的就是把核裂变装置装载到船舶上，为船舶提供相关动力。

1．化石能源

利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式与火力发电极其相似。只是以核反应

堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。除沸水堆外（见轻水堆），其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂通过堆心加热，在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推动汽轮发电机。沸水堆则是一回路的冷却剂通过堆心加热变成70个大气压左右的饱和蒸汽，经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机。核能发电利用铀燃料进行核分裂连锁反应所产生的热，将水加热成高温高压，利用产生的水蒸气推动蒸汽轮机并带动发电机。核反应所放出的热量较燃烧化石燃料所放出的能量要高很多（相差约百万倍），比较起来所以需要的燃料体积比火力电厂少相当多。核能发电所使用的的铀235纯度只约占3%－4%，其馀皆为无法产生核分裂的铀238。

人类对核能的运用是安全的，清洁的。举例而言，核四厂每年要用掉80吨的核燃料，只要2支标准货柜就可以运载。如果换成燃煤，需要515万吨，每天要用20吨的大卡车运705车才够。如果使用天然气，需要143万吨，相当于每天烧掉20万桶家用瓦斯。换算起来，刚好接近全台湾692万户的瓦斯用量。一个大型核潜艇，一年所需的核燃料不过几十吨。而一艘到欧洲的1万标箱的集装箱船，一天耗油达290吨，一个航次需要载油1万多吨。如果将核能运用到商船上，不仅大大地提高商船的载重力，而且还会给航运业带来革命性的变化。

因此核能和化石能源相比具有无可比拟的巨大优势。

2.风能、太阳能

太阳能、风能能它们共同的优点是可再生能源，能极大减少二氧化碳等温室气体的排放。太阳能发电的缺点是造价太高，风能受地域限制严重，利用潮汐发电对发电设备的防海水腐蚀性能等要求太高。核能有着突出的优点，核能发电的成本主要涉及核电站的基建成本，这要比常规热力电厂高出两倍左右，但是燃料二氧化铀成本低廉，并且容易运输和储存。核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。核电站的安全性极高，现在运行的反应堆不会发生发射性物质泄漏的事故，至少在技术上可以完全保证其安全运行。核电站可以产生大量热能的同时不产生常规电站的粉尘、温室气体等。

3.氢能

以下截图来自“世界新能源——核能、氢能网”

核能发电的其它诺干优点：

1.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。

2.核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。

3.核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途。

4.核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。

5.核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定

目前为止仍然没有其他能源能够取代核能的地位，其他能源在经济和效率上也无法匹敌。

综上所述，核能与其他能源相比均具有巨大的优势，可以进一步肯定，核能将会成为船舶动力的第一选择！

核能的经济性及其技术可行性

核能在利用时，其所表现出的能量优势十分显著。据计算，1公斤可裂变物质铀完全分裂所产生的能量，相当于2100吨燃油充分燃烧后所得到的能量。这也就是说，核燃料所包含的能量，大体相当于本身重量210万倍的燃油的能量。在研究发展民用核动力船舶过程中，可参考国内外发展核动力装备时所积累的大量经验和数据，以期在继承已有技术基础并提高切入点的前提下，进而有效控制总体工程项目的实际成本入高。

一艘技术状况良好的5100TEU集装箱船，其主要数据如表1所示。以21节速度航行，每天约消耗125吨燃油，该船每年航行以7500小时、燃油单价以300USD/吨计，则全年燃油成本约为28125万美元。若采用压水型核动力推进装置，仅需消耗60克重的U235核燃料，所携带的核燃料二氧化铀，最多也只需510千克左右，全年核原料成本约为4万美元。仅从燃油成本一项，全年约节省28120万美元。此外，除去核动力装置及相关配套系统所占

空间和重量等因素的影响，仅在利用原船用燃油存储空间所带来的船体复杂程度降低和载运量增加这两方面，其总体能源有效利用的比率较之常规动力船舶也有着一定优势。

故此，如果暂不考虑总体的初始投资，仅通过以上粗略统计数据的对比就可以发现，实际上在寻求核动力民用船舶潜在商业上的应用前景还是值得考虑的。

在技术方面，不管核动力船是民用商船，还是军用舰船，从热工水力和放射性管理方面来讲，基本都采用压水堆，且工作原理是一致的。其工作系统主要由一回路系统、二回路系统以及为保证装置正常运行、人员健康和可靠性冗余系统等组成：一回路系统位于反应堆舱。载热剂载走反应堆中核燃料裂变产生的热量，加热蒸汽发生器中二回路的水产生蒸汽。二回路系统位于机舱中的二回路中蒸汽发生器产生的蒸汽去驱动蒸汽轮机，经减速齿轮或推进电机带动螺旋桨驱动舰船前进。如图2所示为船用压水堆的三种布置方式，即分散型（也称作回路型，其反应堆压力容器、蒸汽发生器、一次系统主泵之类的一次系统设备是由较长的大直径一次系统回路管道连接。这种反应堆系统为现有发电用反应堆中普遍采用的压水堆堆型布置。采用该堆型布置的好处是便于对各种设备进行维修检查，且已具有丰富的建造和运行经验。其不足之处是占用空间大，建造过程中的安装和焊接点多，在设计上还必须考虑因大直径一回路管道破损可能引发的假想反应堆冷却剂失水事故的安全措施。）、紧凑型（也称作半一体化型，是一种将一次系统回路设备用短管直接连接挂在反应堆容器上的堆型。由于其热功率增大会受到限制，故而不适于在大型堆中采用，但与分散型堆相比，其占用空间小，建造过程中的安装和焊点少。）和一体化型（是将蒸汽发生器、一次系统主泵等带放射性的一次系统设备安装在反应堆容器内，是一种比紧凑型布置堆更小的中小型堆。反应堆容器增大了，但整个反应堆系统变得紧凑，占用的整体空间小。堆芯的自然循环冷却能力强，没有一次系统管道，防止失水事故的安全性得以提高）。

民用核动力船舶的安全性

由于产生核事故的根本原因是反应堆内核裂变反应失控，使核反应堆系统破坏，导致向环境释放放射性物质。所以，拥有核技术的国家都将反应堆的核安全与辐射安全作为建造核动力装置安全考虑的首要问题。

在作为船舶动力源方面，核动力装置首先是被应用于军事上的。目前，核动力装置船舶主要应用在核潜艇上，水面舰艇的数量很少。为了分析反应堆运行的安全性，美国从核潜艇陆上模式堆上万个运行事件记录中随机抽取了1700个样本并结合舰艇运行的12000多个实践报告作了统计，结果发现没有一个事故或事件是直接由于反应堆芯所致，大量的事件是保

险丝之类的设备小事件以及值得重视的、人为的操作顺序性错误。迄今，世界各国共建成核潜艇500余艘，经过半个多世纪的实践考验表明，核潜艇的运行是很安全的，每年每艘核潜艇的平均事故率只有2.02%左右，而且大多数属于常规设备故障。其原因应归结于压水堆的固有特性、先进的技术措施带来的问题和缺乏严格的运行管理制度。

另一方面，公众可以不必担心舰艇反应堆如原子弹一样爆炸。因为其反应堆所装的铀为低浓度铀（U235含量只有3%），而原子弹装的铀是高浓度铀（U235含量占90%以上）。危险性在于泄漏造成放射性污染，可能发生或诱发诸如堆芯烧毁这样的核事故，但这也是可以采取多层防护措施加以预防的。英国一家研究机构的调查表明，在与核能有关的八个要素中，核安全已排列倒数第二位，而经济性上升为第一位。为此，人们关注的核安全要求必须是适度的，其对社会产生的风险，已大大小于其它替代能源、社会活动和缺乏电力可能产生的总的社会风险。

当然，作为研究、技术和工程人员应当清楚的意识到，虽然我国在核动力的利用方面已有多年经验可供参考，核电及核动力潜艇的技术业已成熟，但是作为将核动力装置应用于民用船舶上这一探索，尚未见之于世，其直接的弊端就是没有现成经验可以参考。核燃料的放射性污染这一潜在危险是客观存在的，尽管现今核能技术的发展已能保证船舶核动力装置安全运行，能够避免发生较严重的事故，然而辐射安全防护的各种措施始终应该引起足够的重视，尤其是船员更应注意科学、规范地操纵管理核动力装置。

列举以下所考虑的可能遇到的多个问题：

＊核动力船舶远洋航行的运营安全；

＊海盗防范、反恐怖袭击等；

＊国际政治环境、法律环境的不确定性；

＊核设施的退役问题；

＊相关国家港口的停靠等。

发展民用核动力船舶前景

基于国际船舶行业的现状分析，立足于国情现状，可以肯定我国船舶行业发展民用核动力是极具前景和现实意义的。对促进我国核工业产业链发展、推动我国造船业的技术进步、完善我国核动力船舶监管体系、提高我国航运整体实力、保障我国远洋运输的能源安全等方面都有不可磨灭的作用。

首先，目前我国在民用核能的利用上主要是在核电领域。核动力商船领域的开发，相当

于拓宽了我国核资源的利用空间。核能的商业性运作将不仅仅局限在核电及医疗卫生方面，还促进我国核工业产业链发展。

其次，对我国造船业的技术进步起到推动作用。由于核动力装置的特殊性，其整个系统的构建和设备的配套均有别于常规动力船舶，相应的在船舶设计、建造、适航乃至最终验收交船等一系列环节都会有更高的技术要求。由此可见，借助于发展民用核动力船舶，可以有效推动国内造船业对造船技术和规范的探索，这对改变我国现有造船企业技术含量不高、产品附加值低、国际竞争力不强的被动局面有重要作用。

再有，有利于提高我国航运整体实力。开发利用核动力船舶应作为能源战略一个新方向，为我国航运企业有效降低运营成本提供了一种可能，更为提高自身在国际航运界业内的竞争力创造了有利条件。作为一个新方向和新趋势，谁先占领民用核动力船舶这个领域、谁先抢占这个市场对世界航运界来说都具有重大意义和深远影响。

另外，为我国远洋运输提供了有效能源安全保障。中国作为世界主要的石油进口国，石油消耗量巨大。由于我国的主要原油来源地的政治、经济、民族和宗教问题错综复杂，极有可能会造成我国石油战略资源受制于人的被动局面。核动力装置的船舶取用另一种独立于石油之外的能量来源，就可以在很大程度上分散了使用单一能源的风险，提高我国远洋运输的能源利用安全抵御风险的能力，从全局来看这一点至关重要。

就现阶段的分析而言，核动力船舶极有可能成为未来航运界解决全球石油资源日渐枯竭的最终途径。面对潜在的危机和广阔的市场，理应尽早抢占行业发展的先机。当然，发展民用核动力船舶是一项需要投入巨大的国家性质的系统工程，其涉及到国家核管理机构、核能企业，船舶研究机构、航运企业及配套产业集团等诸多领域。要保证整个系统的完美运作，实现民用核动力船舶的实用化，直至最终完成整个航运业的核动力装置利用集团化、产业化、规模化这一宏伟的远景目标，是需要以整个国家的经济发展和政策扶持为基础方能实现。我们有理由相信，通过发展民用核动力船舶这个集科研探索、经济拓宽、政策完善于一体的系统工程，必将引领我国的航运事业走向光辉的明天。

核能有待解决的诺干缺点：

1.运用核能的过程中会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。

2.核能运用投资成本太大，船舶公司的财务风险较高。

3.核能运用较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。

4.兴建核船舶较易引发政治歧见纷争。

5.核船舶的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。

总结

随着科学技术的进一步发展，人类必将充分利用核能的巨大优势，克服核能的缺点，进一步推动社会的进步。总之，核能在未来必将会创造一片新天地，让我们共同期待核时代的到来！