1968 年 7 月，美國(guó)陸軍將世界上第一座浮動(dòng)核電站 Sturgis 派往巴拿馬運(yùn)河，以幫助克服區(qū)域水力發(fā)電廠短缺的問(wèn)題，該地區(qū)的水力發(fā)電廠短缺因嚴(yán)重干旱和運(yùn)河區(qū)船舶交通量增加而惡化. 斯特吉斯(圖 1)配備了一個(gè) 45 MWth/10 MWe MH-IA 壓水反應(yīng)堆 (PWR)——陸軍建造的最后一個(gè)反應(yīng)堆，它一直運(yùn)行到 1976 年，直到軍方將其從該地區(qū)撤出，比最初預(yù)期的時(shí)間長(zhǎng)了五年，產(chǎn)生了 356 GWh。

1. 斯特吉斯號(hào)，一艘前二戰(zhàn)時(shí)期的自由艦，在20世紀(jì)60年代被改造成第一個(gè)浮動(dòng)核電站。

雖然斯特吉斯號(hào)展示了浮動(dòng)核電的關(guān)鍵屬性--包括可靠性和復(fù)原力--但它并沒有被輕易復(fù)制，盡管工業(yè)界做出了巨大的努力，如西屋公司20世紀(jì)70年代的 "海上電力系統(tǒng) "計(jì)劃和公共服務(wù)電力和天然氣公司的4.6吉瓦大西洋核電站。但是，在全球迫切需要增加新的核電能力以應(yīng)對(duì)現(xiàn)代電力挑戰(zhàn)的推動(dòng)下，人們對(duì)浮動(dòng)核電站的興趣似乎正在增強(qiáng)。

一個(gè)關(guān)鍵的賣點(diǎn)：靈活性

浮動(dòng)核電站的關(guān)鍵賣點(diǎn)是固定的靈活性。行業(yè)觀察家認(rèn)為，新興的設(shè)計(jì)可以加速既定的核電模式的轉(zhuǎn)變，今天的核電模式完全基于大型集中式工廠，轉(zhuǎn)向分布式發(fā)電，以滿足電力以外的多種能源消費(fèi)需求，包括熱能、海水淡化以及氫氣和氨氣的生產(chǎn)。

此外，專家指出，核動(dòng)力早已存在——甚至早于商業(yè)核工業(yè)——并且制造方法已經(jīng)在商業(yè)造船廠大規(guī)模存在。而且，正如電力研究所 (EPRI)在最近的一份報(bào)告中指出的那樣，1970 年代的大西洋核電站也確立了監(jiān)管先例。EPRI 指出：“作為這項(xiàng)工作的一部分，商業(yè)海上應(yīng)用的環(huán)境和監(jiān)管審查程序得到了實(shí)施和證明，達(dá)到了工廠制造的授權(quán)點(diǎn)。在整個(gè) 1970 年代，一家私營(yíng)企業(yè)尋求對(duì)離岸電力系統(tǒng)提案進(jìn)行州和聯(lián)邦監(jiān)管審查，該提案要求在美國(guó)東海岸外建造多個(gè)工廠制造的浮式反應(yīng)堆。” 在美國(guó)，監(jiān)管審查“總體上是積極的，并產(chǎn)生了最終的環(huán)境聲明，其中包括建議頒發(fā)許可證，以便在專門建造的類似造船廠的設(shè)施中遠(yuǎn)程建造核電站。

然而，今天，只有另外一個(gè)浮動(dòng)核電站已經(jīng)完成并部署。Rosatom的駁船式Akademik Lomonosov電廠，該核電站于2020年5月開始在西伯利亞北岸的偏遠(yuǎn)礦區(qū)Pevek供電和供熱。該核電站包括沿海基礎(chǔ)設(shè)施和配備兩個(gè)35 MW KLT-40S 熱中子能譜 PWR的浮動(dòng)發(fā)電廠裝置。

然而，更多的俄羅斯項(xiàng)目已經(jīng)在醞釀之中。中國(guó)造船廠惠生重工于 2022 年 8 月在楚科奇自治區(qū)納格萊寧角附近開工建造了四個(gè)海上作業(yè)浮式工廠中的第一個(gè)。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)到2027年停泊在俄羅斯北極地區(qū)，將有兩個(gè)Atomenergomash集團(tuán)的RITM-200S壓水堆--合計(jì)105兆瓦--安裝在一個(gè)140米長(zhǎng)的駁船上。

"這個(gè)項(xiàng)目對(duì)我們來(lái)說(shuō)很特別，有幾個(gè)原因：Atomenergomash有史以來(lái)第一次將自己確立為最終產(chǎn)品--浮動(dòng)動(dòng)力裝置的供應(yīng)商，我們從頭到尾都負(fù)責(zé)。第二，我可以說(shuō)這是整個(gè)[浮動(dòng)核電站機(jī)組]家族歷史的開始，具有完整的容量和用途范圍--北極和熱帶版本，"Atomenergomash公司總經(jīng)理Andrey Nikipelov說(shuō)。

在北美，NuScale Power和Prodigy Clean Energy(加拿大小型模塊化反應(yīng)堆海洋發(fā)電廠的設(shè)計(jì)者)在2022年10月宣布了他們 "可運(yùn)輸和基于海洋的小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)發(fā)電設(shè)施 "的新概念設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)基于NuScale的陸上VOYGR發(fā)電廠產(chǎn)品。這一里程碑標(biāo)志著兩家公司在2018年簽署的諒解備忘錄下的下一個(gè)關(guān)鍵步驟，即把 "一個(gè)有競(jìng)爭(zhēng)力的北美SMR海洋設(shè)施推向市場(chǎng)"。

2. NuScale Power和Prodigy Clean Energy的海洋發(fā)電站的藝術(shù)演繹。

Prodigy公司表示，其SMR海洋電站(MPS，圖2)可以容納1至12個(gè)NuScale電力模塊，總輸出功率為924兆瓦。它補(bǔ)充說(shuō)："與陸地部署相比，使用Prodigy公司的技術(shù)部署NuScale VOYGR SMR電站的好處首先是在船廠制造和裝備整個(gè)海洋設(shè)施，實(shí)現(xiàn)快速交付。

"進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)包括大幅減少資本支出;加快項(xiàng)目進(jìn)度;最大限度地減少現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備;減少環(huán)境影響;釋放項(xiàng)目融資結(jié)構(gòu)，這通常是傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)建造的核電站所不具備的;以及簡(jiǎn)化和加快退役和現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)。海洋設(shè)施的設(shè)計(jì)是標(biāo)準(zhǔn)化的，可以在各種場(chǎng)地部署，并可進(jìn)行批量制造"。

浮動(dòng)熔鹽反應(yīng)堆平臺(tái)

駁船式先進(jìn)反應(yīng)堆概念的開發(fā)也在加快，主要是在亞洲。2022年12月，認(rèn)證機(jī)構(gòu)和核電技術(shù)開發(fā)商必維國(guó)際檢驗(yàn)集團(tuán)(BV)宣布，它與ThorCon公司簽訂了一項(xiàng)協(xié)議，對(duì)在印度尼西亞運(yùn)營(yíng)的500兆瓦熔鹽核電駁船進(jìn)行技術(shù)鑒定和 "后續(xù)開發(fā)"。

該概念將一個(gè)熔鹽發(fā)電廠整合到一個(gè)浮動(dòng)的駁船船體中，該船將被拖到一個(gè)淺水區(qū)，然后壓載到海床上。BV說(shuō)："來(lái)自必維國(guó)際檢驗(yàn)集團(tuán)核認(rèn)證部門和海洋與離岸部門的專家將在整個(gè)過(guò)程中進(jìn)行合作，一個(gè)關(guān)鍵的工作領(lǐng)域?qū)⑹谴_定適用的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和等級(jí)規(guī)則，與目前可用的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和規(guī)則的潛在差距，并在必要時(shí)制定新的指導(dǎo)說(shuō)明和規(guī)則。"

BV預(yù)計(jì)，技術(shù)鑒定過(guò)程將至少需要三年時(shí)間。如果成功，部署階段將需要另外兩年時(shí)間。ThorCon公司將把東南亞作為其第四代先進(jìn)核電設(shè)計(jì)的主要市場(chǎng)，對(duì)于該公司來(lái)說(shuō)，技術(shù)鑒定標(biāo)志著一個(gè)重要步驟。該公司說(shuō)，它已經(jīng)與印度尼西亞邦加-比利通省、印度尼西亞國(guó)家電力公司PLN和該國(guó)核能監(jiān)管機(jī)構(gòu)BAPETEN就示范和最終安裝500兆瓦電廠的潛在地點(diǎn)進(jìn)行了討論。與目前的核反應(yīng)堆不同，ThorCon反應(yīng)堆在低壓下運(yùn)行并使用液體燃料。它說(shuō)："液體燃料使工作溫度高得多，導(dǎo)致更高的效率，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了完全的被動(dòng)安全(不需要操作者的行動(dòng)，也不需要對(duì)電源進(jìn)行干預(yù)以停止反應(yīng))。”

另一個(gè)分別取得類似進(jìn)展的浮動(dòng)核液體燃料概念是由韓國(guó)三星重工(SHI)和丹麥技術(shù)公司Seaborg Technologies帶頭提出的。1月初，三星重工報(bào)告說(shuō)它的緊湊型熔鹽反應(yīng)堆(CMSR)動(dòng)力駁船獲得了美國(guó)船級(jí)社的原則批準(zhǔn)(AIP)。美國(guó)船級(jí)社的AIP標(biāo)志著技術(shù)鑒定過(guò)程中的一個(gè)重要里程碑，該過(guò)程由全球船級(jí)社和技術(shù)咨詢服務(wù)提供商監(jiān)督，主要是確認(rèn)擬議的早期概念符合所需的行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

3. 丹麥公司Seaborg已與三星重工合作開發(fā)緊湊型熔鹽反應(yīng)堆(CMSR)動(dòng)力駁船。

Seaborg在2017年推出的CMSR概念(圖3)是一個(gè)250兆瓦時(shí)/100兆瓦的熔鹽反應(yīng)堆，設(shè)計(jì)用于模塊化浮動(dòng)核電駁船。該概念源于Seaborg的第一個(gè)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)工作，即熔鹽熱廢爐(MSTW)，這是一個(gè)陸地上的270兆瓦時(shí)/115兆瓦時(shí)的熔融氟化鹽反應(yīng)堆，它具有石墨慢化劑。

Seaborg解釋說(shuō)："在這些反應(yīng)堆中，熔鹽既是液體核燃料，也是在閉環(huán)初級(jí)系統(tǒng)中持續(xù)循環(huán)的冷卻劑，在大氣壓或接近大氣壓下運(yùn)行。反應(yīng)堆堆芯是由燃料/冷卻劑管道陣列形成的，這些管道穿過(guò)反應(yīng)堆容器內(nèi)的慢化劑。”

然而，CMSR使用了一種 "專有的液體慢化劑，使反應(yīng)堆堆芯的尺寸約為具有可比功率等級(jí)的石墨慢化劑堆芯的1/8，如MSTW"。Seaborg指出，這種規(guī)模非常適合于海洋應(yīng)用，但這種設(shè)計(jì)固有的安全和加油功能也很適合。熔鹽反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)是通過(guò)定期調(diào)整熔融燃料/冷卻劑中的濃縮氟化鈾鹽的數(shù)量來(lái)進(jìn)行在線加油，以維持近期的電力運(yùn)行。在緊急情況下，整個(gè)庫(kù)存的熔融燃料/冷卻劑可以從主系統(tǒng)排入反應(yīng)堆下的臨界安全排水槽，相反，民用船用壓水堆包含足夠的濃縮鈾，以維持在兩次加油之間持續(xù)數(shù)年至十年的運(yùn)行周期。海上壓水堆的嚴(yán)重事故現(xiàn)象可能包括反應(yīng)堆堆芯中的氫氣生成(來(lái)自熱鋯水反應(yīng))和堆芯熔化。這些事故現(xiàn)象不可能發(fā)生在CMSR中。

Seaborg的概念被設(shè)計(jì)為安裝在一個(gè)平底的、無(wú)推進(jìn)力的駁船上，由至少三個(gè)模塊部分組成：船頭、容納兩到八個(gè)CMSR的動(dòng)力模塊和 "住宿/控制部分"。2022年4月，Seaborg與SHI建立了重要的合作關(guān)系，制造和銷售 "可停泊在工業(yè)港口并連接到陸上電網(wǎng)的 "交鑰匙電站。這些合作伙伴還發(fā)起了一項(xiàng)努力，開發(fā)由CMSR提供動(dòng)力的氫氣生產(chǎn)和合成氨工廠。然而，他們指出，這些裝置的設(shè)計(jì) "將被優(yōu)化，以便在SHI的船廠進(jìn)行有效的系列建造"。

作為一個(gè)模塊化的浮動(dòng)發(fā)電廠設(shè)計(jì)，CMSR可以在24年的使用壽命內(nèi)向電力緊張的發(fā)展中國(guó)家提供高達(dá)800兆瓦的電力。該公司聲稱："選址和設(shè)施限制相對(duì)較少，施工期短至兩年左右，而且成本低。目前，SHI計(jì)劃在完成所有發(fā)電設(shè)施的詳細(xì)設(shè)計(jì)后，于2028年實(shí)現(xiàn)CMSR動(dòng)力駁船的商業(yè)化。”它指出，系列化生產(chǎn)可能在2030年開始。這兩家公司承認(rèn)，鑒于缺乏成熟的法規(guī)來(lái)充分解決新型海洋反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的核安全問(wèn)題，這個(gè)時(shí)間表可能是樂(lè)觀的。