核动力船：北极航道未来新星

本刊特约记者 辛吉诚

核动力船：北极航道未来新星

本刊特约记者 辛吉诚

“MV Nunavik ”号是目前动力最强劲的非核动力破冰散货船，由加拿大经西北航道通过北极运送镍矿石至中国

北极航道的开通，很可能在一定程度上推动核动力装置在民船领域的应用。有过类似船舶建造与维修经验的军工企业，在此类船舶建造市场的竞争优势显而易见。

近年来由全球性气候变暖而引发的北极冰川融化使北极航道的开辟成为了可能。从地理位置看，与传统经苏伊士和巴拿马运河连通亚洲、欧洲与美洲的航道相比，经行位于高纬度地区的北极航道使得从亚洲东部到达欧洲西部的航程更短，且能够避开东南亚与索马里地区海盗的威胁。随着未来北极冰川可能发生的进一步消融，北极航道开发的商业价值将日趋提升。

然而北极地区特有的严寒对于船舶动力装置的性能提出了更高的要求。一方面，北极地区常年气温都在零度以下，船底海水吸口、水线以上的压载舱、甲板管系、通风开口、压载舱透气管开口、液压动力装置等位置都极易冰冻而影响正常使用，在船舶航行过程中需要保持加热以维持设备功能正常。仅舷侧压载舱加热系统在船舶航行过程中消耗的热量就极为可观。另一方面，极端低温的传导将直接影响机舱设备的正常运转与船员生活，船舶工作与生活区域也需要额外的加热与保温措施。这将直接导致在极地海域内航行的船舶与其他船舶相比，需要消耗更多的热能。另外，船舶发动机在低温环境下的油耗将显著增加，也在一定程度上增加了极地航行船舶的燃料消耗。国外一份统计资料表明，即便是在冰情相对良好的夏季，某型干杂货船经由北极航道从欧洲西部到达亚洲东部地区所消耗的燃油，与传统的经地中海、苏伊士运河、马六甲海峡的航线相差无几。由此可见，北极航道对于船舶燃料的额外需求，将足以抵消其在航程方面的优势。因此，未来航行于北极水域的船舶必须在动力装置方面有所革新。

极好地满足极地船动力需求

从技术角度而言，与目前民船常用的柴油机动力装置相比，核动力装置更能匹配未来极地航行船舶的动力需求。核动力装置的本质是一种蒸汽轮机动力装置，以核反应堆取代主锅炉作为蒸汽发生源，以高温高压的过热蒸汽驱动蒸汽透平运转，进而带动船舶推进器推动船舶航行。与柴油机动力装置相比，蒸汽轮机动力装置在极地航行水域的优越性就非常明显了。蒸汽轮机强大的单机功率是柴油机所无法比拟的，目前最大的船用柴油机单机输出功率为80兆瓦，而蒸汽轮机可达300兆瓦以上，强大的单机功率足以提供极地航行船舶冲破冰层所需的动力。与柴油机相比，蒸汽轮机运用于船舶推进的历史更悠久，技术也更成熟。与将往复运动转化为回转运动的柴油机相比，直接采用高温高压蒸汽冲击透平叶轮做功的蒸汽轮机工作原理更为简单，连续稳定运转时间长，维护保养周期可达30个月以上。蒸汽轮机的高可靠性也为船舶在极地海域安全航行提供了必要的保障。

与采用燃油的常规动力装置相比，核动力装置在极地航行船舶方面的优越性也是显而易见的。首先，与使用矿物燃料的常规动力装置相比，核动力装置在运行过程中基本不会产生大气污染物，从整体上看是一种非常清洁的能源型式。采用核动力装置的船舶很容易满足目前国际海事法规关于船舶污染、能耗的严苛要求。其次，核燃料的能量密度远大于常规矿物燃料，采用核动力装置的船舶在整个生命周期内通常无需添加燃料，这将为船东节约大量的船舶维护保养时间与成本，提高船舶在航率，从整体上提升船舶的经济效益。更为重要的是，核动力装置巨大而廉价的能源供应，能够有效地解决目前民用船舶在极地海域内航速过低的问题。航速的提升将有助于船舶以尽可能快的航速通过航行风险较高的极地水域，进而从整体上降低船舶在极地航行期间发生事故的风险，并在一定程度上提升极地航道的综合竞争力。

极地航道特有的环境条件也将核动力装置在常规海域低效率的缺点转变成了优点。与柴油机动力装置接近56%的热效率相比，蒸汽轮机不到20%的热效率在常规民用船舶领域毫无竞争力。然而，航行于极地海域的船舶对于全船热量供应的持续性需求，将大大提升蒸汽轮机动力装置在极地海域的综合热效率。采用柴油机动力装置的船舶发动机所排除的废热有限，通常情况下还需要消耗额外的电力对船上的关键设备进行加热，以确保其正常运行。而对于采用核动力装置的船舶而言，驱动蒸汽透平做功后的废气即可用来进行加热，无需再消耗额外的燃料。与常规的柴油机动力装置相比，核动力装置在极地海域高效率的优势是显而易见的。

“Sevmorput”号2016年的航线图

在民船领域的推广障碍

然而，目前核动力装置主要用于军用潜艇与部分大型水面舰艇上，在民船方面的运用甚少。公众对于核燃料泄漏后放射性污染的恐慌，是导致核能无法在航运业中推广的最主要原因。尽管半个多世纪以来，多个国家在军事领域的实践已经充分表明，只要严格根据规章进行操作，核动力装置的故障率明显低于常规动力装置，总体上而言是非常安全的。然而，1986年的切尔诺贝利事件、2011年福岛核电站事故所造成的灾难性后果，造成国际社会对于核动力装置的质疑，进而导致各国政府对于核动力装置的推广始终难下决心。与陆上相比海上环境更为恶劣，核燃料在事故中发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，建立全球民众，特别是北冰洋沿岸国家对于核动力装置安全性的信心，是未来航运业在广泛采用核能之前必须解决的问题。

全球范围内的核安全与军事技术的保密性，是制约核能在航运业中广泛采用的另一个重要原因。从技术角度来看，核反应堆低浓度核燃料的放射性足以对人体健康构成威胁，而反应堆中的核燃料只要进一步浓缩即可制造核武器。如果未来在民用领域大范围推广核动力装置，就可能给恐怖分子提供更多获得核物质的机会，进而对全球安全构成威胁。另外，核动力装置的特点决定了其具有非常重要的战略价值，掌握该项技术对于提升国家军事实力与维护国际地位有着无可替代的作用。目前全球范围内掌握核动力装置技术的国家只有6个，要求这些国家与全世界分享其特有的军工技术，在短期内显然难以实现。

全球范围内核技术的保密性，也在一定程度上阻碍了民用核动力船舶设计规范与标准的进步。目前全球范围内的核动力设计标准主要由掌握核动力技术国家的军方掌握，不同国家国情与工业水平的差距，决定了其核动力船舶设计与建造的标准也不尽相同。对于在国际航行领域拥有豁免权的军舰而言，这种设计和建造标准上的差异不会存在太大的问题，然而对于从事商业航行的民用船舶而言，从事国际贸易运输的核动力船舶很可能由于两国法律、设计标准的差异而被拒绝入港。尽快建立全球范围内统一的核动力船舶设计、建造与检验标准，也是未来核动力船舶在极地海域内从事商业航行的前提之一。

“Sevmorput”号

核动力船极地航行前景

尽管目前还存在不少技术与法规方面的难题，然而在燃料成本居高不下的大背景下，采用在极地海域综合性能更为优越的核动力装置依然是目前从事极地航行船东动力装置的最佳选择。俄罗斯1988年建造的“Sevmorput”号核动力极地运输船很可能是未来在极地海域从事运输的核动力商船的母型。“Sevmorput”号船长260米，宽32米，满载排水量61000吨，夏季载重量33980吨，极地载重量26480吨。“Sevmorput”号在结构布置上类似多通途货船，甲板与货舱内可装载1328个标准集装箱，也可载运杂货与重大件。为便于在冰区航行时的瞭望，“Sevmorput”号的上层建筑设置在船首，船舶动力装置由一个热输出功率达135兆瓦的KLT-40型核裂变反应堆提供，采用一台功率为29.42兆瓦的蒸汽透平驱动4叶可变导管螺距桨作为船舶主推进动力。“Sevmorput”号设计航速可达20.8节，在厚度为1米的冰层中破冰速度为2节。该轮建成后长期在北极地区海域从事货运。2008年由于缺乏货源而被闲置，2013年俄政府决定重新启用该轮进行北极地区货物运输，目前正在俄罗斯的船厂进行恢复性修理。由于“Sevmorput”号是上世纪80年代的产品，其船型很大程度上受当时船舶设计与建造技术的限制。随着结构有限元计算计算机辅助制造技术的日趋成熟，未来的核动力极地运输船将呈现出不少全新的特点。

未来的极地航行船舶主尺度将会有一个逐步扩大的过程。一方面，与常规海域相比，极地海域的运输成本依然偏高，大型船舶所特有的规模效应将有助于降低单位货物的运输成本，从整体上提升船舶的综合竞争力。另一方面，核反应堆特有的双层防护外壳，以及船上为应对极地严寒气候而设置的各类加热设备也将占据船舶不少的空间与浮力资源。因此船身空间越大，这类设备的布置就会越方便。为提升船舶在极地环境下发生事故后的生存能力，未来的极地船舶无论装载何类货物都会采用双壳的设计方案，双壳空间通常会作为压载舱。与常规船舶不同的是，极地船舶的压载舱内将配备类似燃油舱的加热盘管，以确保船舶压载航行过程中不会由于压载水的结冰而爆舱。为便于极地环境下的驾驶瞭望，同时避免核反应堆发生事故时对船员可能造成的伤害，未来的极地航行船舶可能会继续沿用类似“Sevmorput”号的前驾驶、后机舱的布局，当船身长度超过300米时可能会在船尾设置瞭望站或摄像头，以确保驾驶过程中船员能够及时了解船舶尾部海冰流动的情况。

随着近年来船舶动力装置技术的不断进步，未来极地航行船舶动力装置的配备可能会有两种。以高压蒸汽透平直接带动螺旋桨的动力装置方案，很可能成为未来极地航行核动力船动力装置的首选方案。蒸汽轮机动力装置运用于机动船舶推进的历史最为悠久，技术相对成熟，总体可靠性很高，当船舶采用核动力时也不存在燃料成本过高的问题。蒸汽轮机在机动性方面的缺陷将成为其未来在极地航行船舶上运用的最大短板。极地海域冰情复杂，船舶航行过程中经常需要避让大块的浮冰，这对于船舶的操纵性能提出了更高的要求。然而蒸汽透平的工作原理决定了其换向时间过长的问题始终难以解决，这对于未来极地航行船舶而言显然是一个安全隐患。

随着近年来电力推进技术的不断进步，以低压蒸汽透平驱动发电机，以电力提供船舶推进的新型电力推进模式将是未来极地航行和动力船舶动力装置可以选择的另一种模式。与大功率的主推进蒸汽透平相比，驱动发电机的蒸汽透平无需能量过大的蒸汽，因而整体热效率较高。多台发电机并车供电的模式相对于单一的主推进透平而言在推进冗余度方面显然更具优势。与此同时，无论采用吊舱式推进还是电机直接驱动螺旋桨的推进模式，相对由蒸汽透平与柴油机直接驱动的推进器而言都拥有更好的机动性。蒸汽透平电力推进装置的这些优势对于提升船舶在极地高风险海域航行的安全性而言具有非常重要的意义。与常规船舶动力装置相比，核动力船舶特有的安全风险导致了船舶建造的初始投资不会很低，这也将在一定程度上掩盖船舶采用电力推进系统初始投资过高的问题，促进未来蒸汽透平电力推进装置在极地航行船舶上的推广。

从某种意义上来说，未来北极航道的开通，很可能在一定程度上推动核动力装置在民船领域的应用。然而核动力在安全与技术方面的特殊性，决定了未来此类船舶的建造市场很可能具有高度的垄断性，有过类似船舶建造与维修经验的军工企业，在此类船舶建造市场的竞争优势是显而易见的。不过目前全球范围内拥有核动力装置军舰建造经验的船厂寥寥无几，很难满足未来北极航道商业化运营对于运力的需求。从这个角度来看，未来采用核动力的极地航行船舶，除核心动力装置以外的工程依然需要在其他船厂完成。对于近年来全球范围内饱受摧残的船厂而言，未来北极航道的开通将是一个全新的机遇，提前进行相应的设计方案与建造技术方面的准备是非常必要的。★