從核動力破冰船到浮動核電站
——俄羅斯的北極核能應用

中國海洋大學 厲召卿 郭培清

1942年12月2日，在恩里克·費米等人的領導下，“芝加哥1號”核反應堆正式建立，人類開啟了利用原子能（核動力）的時代。21世紀20年代前夕，隨著氣候變暖，北極海冰融化，人類進入了一個重新認識北極、利用北極的“北極時代”。美國地質(zhì)勘探局發(fā)布的一份報告指出，世界上有約30%未發(fā)現(xiàn)的天然氣和13%的石油資源位于北極地區(qū)。原來冰封的“禁區(qū)”不斷升溫，變成各國關注開發(fā)的“熱土”。

冷戰(zhàn)時期，北極一度被籠罩在大國核威脅的陰霾之下。冷戰(zhàn)結束后，俄羅斯作為世界上最大的北極國家，對于北極開發(fā)的熱忱隨著氣候的變暖不斷增加，而北極核能的和平利用，則是新時代新氣象。從極地必備的破冰船到可以為城市和海上鉆井平臺供電的浮動核電站，俄羅斯北極核能應用在穩(wěn)步發(fā)展。

北極交通保障——核動力破冰船

隨著氣候不斷變暖，北極航道航運量穩(wěn)步增長，目前航運量最大的北方航道已經(jīng)成為俄羅斯亞馬爾天然氣運輸?shù)闹匾ǖ馈Ｗ鳛楸睒O航道通航的重要保障，強大的破冰船隊是俄羅斯開發(fā)北極的“急先鋒”。為了達成普京總統(tǒng)在2024年實現(xiàn)北方航道8000萬噸貨運量的目標，俄羅斯在破冰船的建造和應用上也是加足了馬力。早在20世紀70年代，蘇聯(lián)就開始建造核動力破冰船，為北極地區(qū)的活動提供支持。相對于常見的使用柴油等化石燃料作為驅(qū)動力的破冰船來說，雖然核動力破冰船建造成本和維護花費較高，但是在氣候環(huán)境惡劣、基礎設施建設不足、難以補給的北極地區(qū)來說，核動力破冰船強大的破冰能力、幾乎無限的續(xù)航力和自持力是任何常規(guī)動力破冰船無法比擬的。

此外，在環(huán)保問題備受重視的今天，核動力破冰船相對于常規(guī)動力破冰船來說發(fā)生海上溢油事故的風險更低，這對于寒冷的北冰洋水域來說尤為重要。據(jù)研究表明，普通破冰船使用的重油在北極地區(qū)發(fā)生溢油事故之后，泄露的油料在北極低溫環(huán)境下很有可能在海水中發(fā)生變化，形成類似于巧克力慕斯狀的物質(zhì)，其體積還可能會成倍增長，這種物質(zhì)體積龐大、污染程度高、存在時間久，不僅會污染海洋，對海域沿岸也會造成嚴重污染。如果采用核動力，則可大大降低溢油風險。

俄羅斯研發(fā)的“北極”號22220型破冰船，排水量達到了3.35萬噸，兩具RITM-200反應堆總功率可以提供60兆瓦的動力，成為目前世界上動力最強大的破冰船。據(jù)報道，22220型核動力破冰船在波羅的海造船廠建造，目前，俄羅斯原子能集團公司已經(jīng)采購了三艘此型破冰船，第二艘“西伯利亞”號在2015年5月開工，2017年9月下水，將在2020年11月交付；第三艘“烏拉爾”號在2016年7月開工，預計在2022年交付。2019年7月10日，俄羅斯宣布再采購兩艘新船，預計價值1470億美元。到2035年，預計將會有8艘新的核動力破冰船加入俄羅斯破冰船隊。

俄羅斯如此積極地發(fā)展自己的核動力破冰船隊，最終目的是為了實現(xiàn)北方航道的全年通航。北方航道是連接大西洋和太平洋間的海上捷徑，是“一帶一路”之外連接東亞和西歐兩大世界經(jīng)濟引擎的第三條通道，相比于傳統(tǒng)蘇伊士運河的航道，北大西洋和北太平洋之間的港口往來，如果北方航道將縮短約30%的航運距離，縮短航行時間，也能減少相應的保險、人工和燃料費用，同時沒有海盜的困擾，經(jīng)濟上具有良好的競爭力。如果俄羅斯能夠保證北方航道的全年通航，可極大降低北極能源的出口成本，提高自身的競爭力，吸引更多的投資者來北極投資。

俄羅斯最新的“北極”號“北極”級核動力破冰船

北極能源先鋒——浮動核電站

俄羅斯的核動力破冰船解決了往來北極的交通問題，是俄羅斯北極地區(qū)走向“富起來”的第一步，而下一步就是更好去開采北極地區(qū)的資源。俄羅斯北極地區(qū)城鎮(zhèn)地處偏遠，交通不便，氣候條件惡劣，供電供暖一直是老大難問題。在蘇聯(lián)時期，在北極地區(qū)就有使用小型核反應堆來提供電力和供暖的經(jīng)驗，并一直沿用至今。但是蘇聯(lián)時期建造的反應堆年歲已高，亟須替換，加之北極開發(fā)對于電力有更多的需求，俄羅斯開發(fā)了具有劃時代意義的浮動核電站。

浮動核電站，顧名思義，其核心在于“浮動”，這也是與“固定”的傳統(tǒng)核電站的最大區(qū)別。核動力用于發(fā)電，或者在船只、潛艇上的應用并不鮮見，但是將核電站建在可以移動的船只上，而且主要任務是向外界供能，俄羅斯在世界上是首創(chuàng)者。

2019年8月23日，由俄羅斯建造的浮動核電站——“羅蒙諾索夫院士”號從摩爾曼斯克港起航，前往位于俄羅斯遠東地區(qū)楚科奇自治區(qū)的佩韋克港。到達佩韋克后，“羅蒙諾索夫院士”號取代比利比諾核電站，為該地區(qū)提供電力和供暖?！傲_蒙諾索夫院士”號是世界上第一個具有機動性的海上核電站，在長144米、寬30米的駁船上搭載兩具功率為35兆瓦的KLT-40S型核反應堆，該反應堆每4年才需要補充一次燃料，大修周期則長達12年，最終壽命不低于40年，持久耐用。由于浮動核電站無需使用大量化石燃料，與傳統(tǒng)火力發(fā)電站相比，在偏遠寒冷的北極地區(qū)具有相當?shù)暮笄趦?yōu)勢。此外，核動力發(fā)電不會排放溫室氣體，對于保護脆弱的北極生態(tài)環(huán)境，減緩氣候變暖效應具有重要意義。浮動核電站的另一個核心競爭力在于“浮動”。傳統(tǒng)意義上發(fā)電站一旦建成，再進行移動的成本極高。但是在北極開發(fā)中，有很多資源開采地點并不位于城鎮(zhèn)附近，偏遠島嶼和海上的作業(yè)平臺同樣需要大量的電力支持，俄羅斯的浮動核電站完美解決了這一問題。哪里發(fā)現(xiàn)了新油井、氣井、礦區(qū)，就可以將浮動核電站移動到那里，為其提供電力和淡水，不但降低了開采成本，而且可以提高工人的作業(yè)環(huán)境和舒適度，可謂是一舉兩得。

“海上核能充電寶”的安全問題也是備受關注的焦點。在俄羅斯浮動核電站投入使用的消息傳出后，美國阿拉斯加州、綠色和平組織等都對俄羅斯浮動核電站的安全性提出了質(zhì)疑，甚至有人稱浮動核電站為“浮動的切爾諾貝利”。然而，與1986年切爾諾貝利核事故中存在設計缺陷的RBMK-1000（壓力管式石墨慢化沸水反應堆）反應堆完全不同，“羅蒙諾索夫院士”號使用的是在核動力破冰船上經(jīng)過長期應用的改進型KLT-40S型核反應堆，屬于壓水反應堆，最大的特點就是安全，此外還有性能穩(wěn)定可靠，結構緊湊的優(yōu)點。目前全世界核電站、核潛艇和核動力航空母艦等使用的反應堆均以壓水反應堆為主，俄羅斯具有安全操作核動力破冰船五十多年的歷史，豐富的運營經(jīng)驗和成熟的反應堆設計，讓“海上核能充電寶”不會成為下一個“冰上切爾諾貝利”。

世界上首座浮動核電站——“羅蒙諾索夫院士”號

事實上，美國對“海上核電廠”項目也很感興趣，早在上世紀七十年代，美國就提出實行“大西洋核電廠”項目，甚至已經(jīng)訂購兩具壓水反應堆，但是由于預算和國內(nèi)反對聲音最終被取消。目前，俄羅斯原子能集團正在開發(fā)下一代浮動核電站，很多國家表示有購買興趣，俄羅斯的主要銷售目標是應用傳統(tǒng)電站不適用的偏遠地區(qū)，并且可以提供相應的核電站定制服務。據(jù)報道，新一代浮動核電站將采用兩臺RITM-200M核反應堆，每具反應堆可以提供50兆瓦的功率，實力更為強勁?！傲_蒙諾索夫院士”號的應用，是俄羅斯開發(fā)北極的重要一步，凸顯了俄羅斯借助北極資源開發(fā)帶動國內(nèi)經(jīng)濟復蘇的決心。

“小步快走”的中國核能發(fā)展

中國作為和平利用核能的大國，也在積極開發(fā)能夠應用于極地的核能工程。目前，中國已經(jīng)在核潛艇上成功應用了壓水反應堆驅(qū)動。雖然中國尚未擁有核動力破冰船或者核動力航母，但已成功完成“雪龍2” 號科考破冰船的建造?！把?”號極地科考船是我國第一艘自主建造的極地科學考察破冰船，標志著我國極地科考設備邁入了獨立建設的新時代。與此同時，我國在核動力破冰船的建設上也是穩(wěn)扎穩(wěn)打，小步快行。2018年，中國核工業(yè)集團有限公司電子商務平臺一則招標公告顯示，上海中核浦原有限公司受中核海洋核動力發(fā)展有限公司的委托，就“核動力破冰綜合保障船示范工程技術咨詢與服務外委項目”進行公開招標，招標中提出“基于成熟技術的基礎上，制造我國首艘核動力破冰綜合保障船，須具備破冰、開辟極地航道能力，同時兼顧供電、海上補給保障及救援等功能”，這意味中國核動力破冰船的研發(fā)和生產(chǎn)也已經(jīng)邁出重要一步。也許在不遠的未來，中國制造的核動力破冰船就能夠航行在北極冰封的航道之上，為中國和平利用北方航道，在科學考察、資源探測、搶險救援等方面提供堅實的保障。而且，中國如果成功將核動力應用于大型破冰船，可積累在大型船只上使用核動力驅(qū)動的經(jīng)驗，為中國未來大型艦只核動力應用提供經(jīng)驗支撐。

除了研發(fā)核動力破冰船之外，中國的海上浮動核電站項目也已經(jīng)在進行之中，該項目由中國核動力研究設計院牽頭設計。據(jù)中國核動力研究設計院院長羅琦透露，中國浮動核電站的研發(fā)工作基本收尾，中國核動力研究院早在2010年就啟動了ACP100S海上核動力平臺的研發(fā)，近年來集中攻克了堆芯、小型化控制棒驅(qū)動機構、非能動堆芯冷卻系統(tǒng)等多個技術難題，具有100%知識產(chǎn)權，目前關鍵技術研發(fā)、實驗驗證以及核心設備研制等工作已全面完成。中國核工業(yè)集團公司總經(jīng)理顧軍此前表示，公司正在為山東沿岸浮動核電站開工建設做準備，據(jù)稱，該項目將花費中核集團約21億美元，核電站將于2021年投產(chǎn)。與俄羅斯類似，中國也與很多浮動核電站潛在買家進行溝通，屆時中國制造將惠及到全球用戶。核能的和平利用或可成為中俄兩國在北極保護和開發(fā)合作的重要領域。在北極地區(qū)，核能的重要性不斷提高，除了上面提到的無法替代的核動力破冰船和浮動核電站之外，北極地區(qū)還運行著用來探尋自然資源的核動力潛艇、可以為油氣作業(yè)平臺供電的海底低功率小型核反應堆等。北極獨特的自然環(huán)境需要獨特的供能方式，核能就是一個極佳的選擇。

俄羅斯目前對于北極的開發(fā)主要集中在北極航道和北極自然資源，核能的應用可謂是促進開發(fā)的“力量倍增器”。中國在2018年正式發(fā)布《中國的北極政策》白皮書宣布，中國是北極事務的重要攸關方，是積極參與者、建設者和貢獻者。同時，中俄兩國2019年6月共同發(fā)布聯(lián)合聲明，提出推動中俄北極可持續(xù)發(fā)展合作，在遵循沿岸國家權益基礎上擴大北極航道開發(fā)利用以及北極地區(qū)基礎設施、資源開發(fā)、旅游、生態(tài)環(huán)保等領域合作。核動力破冰船和浮動核電站的應用，將為中俄合作一起更好的認識北極，開發(fā)北極，共建“冰上絲綢之路”貢獻一份力量。