同城58网 软件 观点|首席船舶设计师谈未来核动力商船——访C-Job首席船舶设计师Niels de Vries先生

观点|首席船舶设计师谈未来核动力商船——访C-Job首席船舶设计师Niels de Vries先生

日前,船舶设计公司C-Job分享了一项全新研究,表明核能用作商船动力的潜质,其优势不仅包括设计航速的提升、燃料使用及排放的减少,还在于可以消除因燃料成本波动造成的商业不确定性。随着航运业的发展,以及船舶脱碳需求推动,海事界加快了对于新型核能在商船应用的研究与探索,核能作为商船动力源重新受到极大关注。为了了解更多,本刊记者采访了C-Job首席船舶设计师Niels de Vries。

问:在航运业,核能推进的潜力已被确认,核动力商船的优势是什么?你认为什么尺寸的船舶或什么类型的船舶最适合使用核能作为燃料?

答:就碳减排而言,我们的研究表明,在整个生命周期内,核动力船舶的二氧化碳当量排放最多可以减少98%,而且硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)和颗粒物等空气污染物的产生可被完全消除,这对于海事界实现减排目标极为有益。尽管核能尚未被广泛认为是一种可行选择,但我们不会回避这种非传统燃料。

我们分析了这些类型船舶的一些关键参数,包括储能和发电系统的质量和体积,以获得更广泛的数据。分析表明,尽管反应堆周围的屏蔽层占核发电系统各自质量和体积的很大一部分,但在大多数情况下,核动力方案比传统的船用柴油动力方案更轻巧、更紧凑。因此,将核能作为船舶动力源将使船舶更加高效,并能为货物存储留出更多的空间。

在速度和成本方面,核动力商船具有根本不同的特性。核能推进增加了更高设计航速潜力,使船舶更具盈利能力。这是因为船舶的燃料成本支出(OPEX)仅随着速度的提高而略微增长(不会随着航速的提升而出现大幅增长)——燃料价格不再影响总成本,因为运行期间几乎没有燃料加注。快速的航行也可使国际贸易的流通性更加快捷。

最终的主要限制因素是更大功率装置的资本支出。另外,研究表明核动力商船在5-15年内即可有成本效益,具体时间取决于燃料成本和船舶的运行状况。

C-Job关于船舶使用核能推进的研究目前已经确定了四种船型。对于总吨(GT)为40000吨及以上的散货船或油船而言,核能作为船舶推进动力可能是很有吸引力的。对于集装箱船和海洋工程船而言,前者的总吨至少要达到15000吨,后者起码为20000吨,虽然低于我所说的吨位限制可能仍有使用核动力推进的可能,但这需要再进一步的研究与试验。

C-Job计划中的新研究将深入到船舶的全面重新设计中去,以确定的核配置为基础,进一步探索突破速度、尺寸和有效性方面的限制。

问:为什么选择使用熔盐燃料反应堆(MSR)?为什么使用钍循环?

答:MSR是核裂变反应堆的一种,其主要特征是使用熔融的混合盐同时作为核燃料载体和反应堆冷却剂。反应堆运行时,核燃料和熔于载体盐的裂变产物随熔盐在反应堆堆芯和热交换器组成的一回路中不断循环流动,将裂变产生的热量源源不断地从反应堆内输送到堆外。

由于混合盐既被用作核燃料载体也被用作反应堆冷却剂,MSR具有内置的非能动安全系统,并且具有强负温度系数,这意味着温度升高时,反应性会大幅下降,进而可以有效解决反应堆的稳定性问题。

这种反应堆的被动安全性,以及高燃耗和未来使用钍循环的潜力,使其最适合于海上应用。燃耗是一种有效的测量方法,它表明了反应堆可以从给定数量的核燃料中提取多少热能。较高燃耗是核能用于船舶动力所需要的,因为它可以减少所需的核燃料量、降低每台发电机组产生的废物量。

有了钍,高放射性核废料的半衰期可以从10000年以上缩至约300年。除此之外,钍循环具有抗扩散性,这意味着用它制造核武器的效果非常不吸引人,武器化潜力非常低。正因如此,对它的使用会更加让人放心。

问:构成整个核能推进系统和电力系统的部件是什么?船上的MSR放在哪里?与传统动力船相比,设计会有哪些变化?

答:概括来讲,它涉及到反应堆、屏蔽、热交换器(中间和初级)、涡轮机和发电机,性能参数包括系统效率、功率密度(质量和体积)、排放量和负载响应。由于对质量和灵敏度要求较高,带屏蔽的反应堆需要足够的支撑结构。目前来看,MSR预计会被放置在船舶宽度的中心位置,在船长的方向上相对靠近涡轮发电机房,发电机与涡轮机一起布置。除此之外,它与传统燃料船舶的电力配置具有非常相似的特性。

问:对于动力转换,为什么开式循环布雷顿涡轮机是最合适的选择?为什么全电动布局最适合核动力商船?

答:开式循环布雷顿涡轮机的选择理由源于系统尺寸和重量的减少,以及相对容易实施的散热系统,以增强负荷跟踪能力。所选换热器为螺旋盘管式,因为这比微通道换热器(PCHE)更为成熟。

至于最合适的布局被确定为全电气布局的原因,是因为这可以大大提高可靠性(通过冗余布置提高安全性),并使实施更加容易,适用于许多船舶。电气布局允许组合附加系统,如电池和应急电源。这种布局与开式布雷顿涡轮机及其散热能力相结合,以确保系统既紧凑又具有高性能。

问:既然核动力船具有明显的优势,为什么它不是商业船舶应用的常规选择?业界应在监管领域做出哪些改进?

答:迄今为止,还有许多因素阻碍核能作为船舶推进装置的广泛应用。以前的核技术不能提供与钍循环相同的安全特性,因此,商业市场无法充分涵盖一般安全、武器化风险和保险业务,以至于核能的海上推进应用主要集中于海军舰艇和少数破冰船。从这点考虑,各国政府需要站出来保证适当和安全的船舶运行才可以。此外,之前的核技术废物产生量及其高水平的核废物半衰期为10000年以上,如果大规模应用,将带来重大的安全和环境问题。

另外,公众对核相关危险的认识阻碍了核技术在海事行业大规模应用。但幸运的是,近年来的技术进步已允许我们在安全、武器化风险、资源浪费和各种其他因素方面以更好的表现进行核能应用的重新评估。

C-Job确定和应用核技术是使海运业更具可持续性愿景的一部分。我们的研究评估了下一代核技术是什么,以及它对海运业意味着什么。此外,海事领域内的各种事情需要进一步发展,例如但不限于关于船级、船旗国和港口国级别的规章制度、保险和船员培训。

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