核動力船：北極航道未來新星

本刊特約記者 辛吉誠

核動力船：北極航道未來新星

本刊特約記者 辛吉誠

“MV Nunavik ”號是目前動力最強(qiáng)勁的非核動力破冰散貨船，由加拿大經(jīng)西北航道通過北極運(yùn)送鎳礦石至中國

北極航道的開通，很可能在一定程度上推動核動力裝置在民船領(lǐng)域的應(yīng)用。有過類似船舶建造與維修經(jīng)驗(yàn)的軍工企業(yè)，在此類船舶建造市場的競爭優(yōu)勢顯而易見。

近年來由全球性氣候變暖而引發(fā)的北極冰川融化使北極航道的開辟成為了可能。從地理位置看，與傳統(tǒng)經(jīng)蘇伊士和巴拿馬運(yùn)河連通亞洲、歐洲與美洲的航道相比，經(jīng)行位于高緯度地區(qū)的北極航道使得從亞洲東部到達(dá)歐洲西部的航程更短，且能夠避開東南亞與索馬里地區(qū)海盜的威脅。隨著未來北極冰川可能發(fā)生的進(jìn)一步消融，北極航道開發(fā)的商業(yè)價(jià)值將日趨提升。

然而北極地區(qū)特有的嚴(yán)寒對于船舶動力裝置的性能提出了更高的要求。一方面，北極地區(qū)常年氣溫都在零度以下，船底海水吸口、水線以上的壓載艙、甲板管系、通風(fēng)開口、壓載艙透氣管開口、液壓動力裝置等位置都極易冰凍而影響正常使用，在船舶航行過程中需要保持加熱以維持設(shè)備功能正常。僅舷側(cè)壓載艙加熱系統(tǒng)在船舶航行過程中消耗的熱量就極為可觀。另一方面，極端低溫的傳導(dǎo)將直接影響機(jī)艙設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與船員生活，船舶工作與生活區(qū)域也需要額外的加熱與保溫措施。這將直接導(dǎo)致在極地海域內(nèi)航行的船舶與其他船舶相比，需要消耗更多的熱能。另外，船舶發(fā)動機(jī)在低溫環(huán)境下的油耗將顯著增加，也在一定程度上增加了極地航行船舶的燃料消耗。國外一份統(tǒng)計(jì)資料表明，即便是在冰情相對良好的夏季，某型干雜貨船經(jīng)由北極航道從歐洲西部到達(dá)亞洲東部地區(qū)所消耗的燃油，與傳統(tǒng)的經(jīng)地中海、蘇伊士運(yùn)河、馬六甲海峽的航線相差無幾。由此可見，北極航道對于船舶燃料的額外需求，將足以抵消其在航程方面的優(yōu)勢。因此，未來航行于北極水域的船舶必須在動力裝置方面有所革新。

極好地滿足極地船動力需求

從技術(shù)角度而言，與目前民船常用的柴油機(jī)動力裝置相比，核動力裝置更能匹配未來極地航行船舶的動力需求。核動力裝置的本質(zhì)是一種蒸汽輪機(jī)動力裝置，以核反應(yīng)堆取代主鍋爐作為蒸汽發(fā)生源，以高溫高壓的過熱蒸汽驅(qū)動蒸汽透平運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動船舶推進(jìn)器推動船舶航行。與柴油機(jī)動力裝置相比，蒸汽輪機(jī)動力裝置在極地航行水域的優(yōu)越性就非常明顯了。蒸汽輪機(jī)強(qiáng)大的單機(jī)功率是柴油機(jī)所無法比擬的，目前最大的船用柴油機(jī)單機(jī)輸出功率為80兆瓦，而蒸汽輪機(jī)可達(dá)300兆瓦以上，強(qiáng)大的單機(jī)功率足以提供極地航行船舶沖破冰層所需的動力。與柴油機(jī)相比，蒸汽輪機(jī)運(yùn)用于船舶推進(jìn)的歷史更悠久，技術(shù)也更成熟。與將往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動的柴油機(jī)相比，直接采用高溫高壓蒸汽沖擊透平葉輪做功的蒸汽輪機(jī)工作原理更為簡單，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時間長，維護(hù)保養(yǎng)周期可達(dá)30個月以上。蒸汽輪機(jī)的高可靠性也為船舶在極地海域安全航行提供了必要的保障。

與采用燃油的常規(guī)動力裝置相比，核動力裝置在極地航行船舶方面的優(yōu)越性也是顯而易見的。首先，與使用礦物燃料的常規(guī)動力裝置相比，核動力裝置在運(yùn)行過程中基本不會產(chǎn)生大氣污染物，從整體上看是一種非常清潔的能源型式。采用核動力裝置的船舶很容易滿足目前國際海事法規(guī)關(guān)于船舶污染、能耗的嚴(yán)苛要求。其次，核燃料的能量密度遠(yuǎn)大于常規(guī)礦物燃料，采用核動力裝置的船舶在整個生命周期內(nèi)通常無需添加燃料，這將為船東節(jié)約大量的船舶維護(hù)保養(yǎng)時間與成本，提高船舶在航率，從整體上提升船舶的經(jīng)濟(jì)效益。更為重要的是，核動力裝置巨大而廉價(jià)的能源供應(yīng)，能夠有效地解決目前民用船舶在極地海域內(nèi)航速過低的問題。航速的提升將有助于船舶以盡可能快的航速通過航行風(fēng)險(xiǎn)較高的極地水域，進(jìn)而從整體上降低船舶在極地航行期間發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)，并在一定程度上提升極地航道的綜合競爭力。

極地航道特有的環(huán)境條件也將核動力裝置在常規(guī)海域低效率的缺點(diǎn)轉(zhuǎn)變成了優(yōu)點(diǎn)。與柴油機(jī)動力裝置接近56%的熱效率相比，蒸汽輪機(jī)不到20%的熱效率在常規(guī)民用船舶領(lǐng)域毫無競爭力。然而，航行于極地海域的船舶對于全船熱量供應(yīng)的持續(xù)性需求，將大大提升蒸汽輪機(jī)動力裝置在極地海域的綜合熱效率。采用柴油機(jī)動力裝置的船舶發(fā)動機(jī)所排除的廢熱有限，通常情況下還需要消耗額外的電力對船上的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行加熱，以確保其正常運(yùn)行。而對于采用核動力裝置的船舶而言，驅(qū)動蒸汽透平做功后的廢氣即可用來進(jìn)行加熱，無需再消耗額外的燃料。與常規(guī)的柴油機(jī)動力裝置相比，核動力裝置在極地海域高效率的優(yōu)勢是顯而易見的。

“Sevmorput”號2016年的航線圖

在民船領(lǐng)域的推廣障礙

然而，目前核動力裝置主要用于軍用潛艇與部分大型水面艦艇上，在民船方面的運(yùn)用甚少。公眾對于核燃料泄漏后放射性污染的恐慌，是導(dǎo)致核能無法在航運(yùn)業(yè)中推廣的最主要原因。盡管半個多世紀(jì)以來，多個國家在軍事領(lǐng)域的實(shí)踐已經(jīng)充分表明，只要嚴(yán)格根據(jù)規(guī)章進(jìn)行操作，核動力裝置的故障率明顯低于常規(guī)動力裝置，總體上而言是非常安全的。然而，1986年的切爾諾貝利事件、2011年福島核電站事故所造成的災(zāi)難性后果，造成國際社會對于核動力裝置的質(zhì)疑，進(jìn)而導(dǎo)致各國政府對于核動力裝置的推廣始終難下決心。與陸上相比海上環(huán)境更為惡劣，核燃料在事故中發(fā)生泄漏的可能性更高。如何有效地防止事故后的核燃料泄漏，建立全球民眾，特別是北冰洋沿岸國家對于核動力裝置安全性的信心，是未來航運(yùn)業(yè)在廣泛采用核能之前必須解決的問題。

全球范圍內(nèi)的核安全與軍事技術(shù)的保密性，是制約核能在航運(yùn)業(yè)中廣泛采用的另一個重要原因。從技術(shù)角度來看，核反應(yīng)堆低濃度核燃料的放射性足以對人體健康構(gòu)成威脅，而反應(yīng)堆中的核燃料只要進(jìn)一步濃縮即可制造核武器。如果未來在民用領(lǐng)域大范圍推廣核動力裝置，就可能給恐怖分子提供更多獲得核物質(zhì)的機(jī)會，進(jìn)而對全球安全構(gòu)成威脅。另外，核動力裝置的特點(diǎn)決定了其具有非常重要的戰(zhàn)略價(jià)值，掌握該項(xiàng)技術(shù)對于提升國家軍事實(shí)力與維護(hù)國際地位有著無可替代的作用。目前全球范圍內(nèi)掌握核動力裝置技術(shù)的國家只有6個，要求這些國家與全世界分享其特有的軍工技術(shù)，在短期內(nèi)顯然難以實(shí)現(xiàn)。

全球范圍內(nèi)核技術(shù)的保密性，也在一定程度上阻礙了民用核動力船舶設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步。目前全球范圍內(nèi)的核動力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要由掌握核動力技術(shù)國家的軍方掌握，不同國家國情與工業(yè)水平的差距，決定了其核動力船舶設(shè)計(jì)與建造的標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。對于在國際航行領(lǐng)域擁有豁免權(quán)的軍艦而言，這種設(shè)計(jì)和建造標(biāo)準(zhǔn)上的差異不會存在太大的問題，然而對于從事商業(yè)航行的民用船舶而言，從事國際貿(mào)易運(yùn)輸?shù)暮藙恿Υ昂芸赡苡捎趦蓢?、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的差異而被拒絕入港。盡快建立全球范圍內(nèi)統(tǒng)一的核動力船舶設(shè)計(jì)、建造與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，也是未來核動力船舶在極地海域內(nèi)從事商業(yè)航行的前提之一。

“Sevmorput”號

核動力船極地航行前景

盡管目前還存在不少技術(shù)與法規(guī)方面的難題，然而在燃料成本居高不下的大背景下，采用在極地海域綜合性能更為優(yōu)越的核動力裝置依然是目前從事極地航行船東動力裝置的最佳選擇。俄羅斯1988年建造的“Sevmorput”號核動力極地運(yùn)輸船很可能是未來在極地海域從事運(yùn)輸?shù)暮藙恿ι檀哪感??！癝evmorput”號船長260米，寬32米，滿載排水量61000噸，夏季載重量33980噸，極地載重量26480噸?！癝evmorput”號在結(jié)構(gòu)布置上類似多通途貨船，甲板與貨艙內(nèi)可裝載1328個標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，也可載運(yùn)雜貨與重大件。為便于在冰區(qū)航行時的瞭望，“Sevmorput”號的上層建筑設(shè)置在船首，船舶動力裝置由一個熱輸出功率達(dá)135兆瓦的KLT-40型核裂變反應(yīng)堆提供，采用一臺功率為29.42兆瓦的蒸汽透平驅(qū)動4葉可變導(dǎo)管螺距槳作為船舶主推進(jìn)動力?！癝evmorput”號設(shè)計(jì)航速可達(dá)20.8節(jié)，在厚度為1米的冰層中破冰速度為2節(jié)。該輪建成后長期在北極地區(qū)海域從事貨運(yùn)。2008年由于缺乏貨源而被閑置，2013年俄政府決定重新啟用該輪進(jìn)行北極地區(qū)貨物運(yùn)輸，目前正在俄羅斯的船廠進(jìn)行恢復(fù)性修理。由于“Sevmorput”號是上世紀(jì)80年代的產(chǎn)品，其船型很大程度上受當(dāng)時船舶設(shè)計(jì)與建造技術(shù)的限制。隨著結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)的日趨成熟，未來的核動力極地運(yùn)輸船將呈現(xiàn)出不少全新的特點(diǎn)。

未來的極地航行船舶主尺度將會有一個逐步擴(kuò)大的過程。一方面，與常規(guī)海域相比，極地海域的運(yùn)輸成本依然偏高，大型船舶所特有的規(guī)模效應(yīng)將有助于降低單位貨物的運(yùn)輸成本，從整體上提升船舶的綜合競爭力。另一方面，核反應(yīng)堆特有的雙層防護(hù)外殼，以及船上為應(yīng)對極地嚴(yán)寒氣候而設(shè)置的各類加熱設(shè)備也將占據(jù)船舶不少的空間與浮力資源。因此船身空間越大，這類設(shè)備的布置就會越方便。為提升船舶在極地環(huán)境下發(fā)生事故后的生存能力，未來的極地船舶無論裝載何類貨物都會采用雙殼的設(shè)計(jì)方案，雙殼空間通常會作為壓載艙。與常規(guī)船舶不同的是，極地船舶的壓載艙內(nèi)將配備類似燃油艙的加熱盤管，以確保船舶壓載航行過程中不會由于壓載水的結(jié)冰而爆艙。為便于極地環(huán)境下的駕駛瞭望，同時避免核反應(yīng)堆發(fā)生事故時對船員可能造成的傷害，未來的極地航行船舶可能會繼續(xù)沿用類似“Sevmorput”號的前駕駛、后機(jī)艙的布局，當(dāng)船身長度超過300米時可能會在船尾設(shè)置瞭望站或攝像頭，以確保駕駛過程中船員能夠及時了解船舶尾部海冰流動的情況。

隨著近年來船舶動力裝置技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來極地航行船舶動力裝置的配備可能會有兩種。以高壓蒸汽透平直接帶動螺旋槳的動力裝置方案，很可能成為未來極地航行核動力船動力裝置的首選方案。蒸汽輪機(jī)動力裝置運(yùn)用于機(jī)動船舶推進(jìn)的歷史最為悠久，技術(shù)相對成熟，總體可靠性很高，當(dāng)船舶采用核動力時也不存在燃料成本過高的問題。蒸汽輪機(jī)在機(jī)動性方面的缺陷將成為其未來在極地航行船舶上運(yùn)用的最大短板。極地海域冰情復(fù)雜，船舶航行過程中經(jīng)常需要避讓大塊的浮冰，這對于船舶的操縱性能提出了更高的要求。然而蒸汽透平的工作原理決定了其換向時間過長的問題始終難以解決，這對于未來極地航行船舶而言顯然是一個安全隱患。

隨著近年來電力推進(jìn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，以低壓蒸汽透平驅(qū)動發(fā)電機(jī)，以電力提供船舶推進(jìn)的新型電力推進(jìn)模式將是未來極地航行和動力船舶動力裝置可以選擇的另一種模式。與大功率的主推進(jìn)蒸汽透平相比，驅(qū)動發(fā)電機(jī)的蒸汽透平無需能量過大的蒸汽，因而整體熱效率較高。多臺發(fā)電機(jī)并車供電的模式相對于單一的主推進(jìn)透平而言在推進(jìn)冗余度方面顯然更具優(yōu)勢。與此同時，無論采用吊艙式推進(jìn)還是電機(jī)直接驅(qū)動螺旋槳的推進(jìn)模式，相對由蒸汽透平與柴油機(jī)直接驅(qū)動的推進(jìn)器而言都擁有更好的機(jī)動性。蒸汽透平電力推進(jìn)裝置的這些優(yōu)勢對于提升船舶在極地高風(fēng)險(xiǎn)海域航行的安全性而言具有非常重要的意義。與常規(guī)船舶動力裝置相比，核動力船舶特有的安全風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致了船舶建造的初始投資不會很低，這也將在一定程度上掩蓋船舶采用電力推進(jìn)系統(tǒng)初始投資過高的問題，促進(jìn)未來蒸汽透平電力推進(jìn)裝置在極地航行船舶上的推廣。

從某種意義上來說，未來北極航道的開通，很可能在一定程度上推動核動力裝置在民船領(lǐng)域的應(yīng)用。然而核動力在安全與技術(shù)方面的特殊性，決定了未來此類船舶的建造市場很可能具有高度的壟斷性，有過類似船舶建造與維修經(jīng)驗(yàn)的軍工企業(yè)，在此類船舶建造市場的競爭優(yōu)勢是顯而易見的。不過目前全球范圍內(nèi)擁有核動力裝置軍艦建造經(jīng)驗(yàn)的船廠寥寥無幾，很難滿足未來北極航道商業(yè)化運(yùn)營對于運(yùn)力的需求。從這個角度來看，未來采用核動力的極地航行船舶，除核心動力裝置以外的工程依然需要在其他船廠完成。對于近年來全球范圍內(nèi)飽受摧殘的船廠而言，未來北極航道的開通將是一個全新的機(jī)遇，提前進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案與建造技術(shù)方面的準(zhǔn)備是非常必要的?！?/p>