軍、民用反應堆差異明顯,核動力艦艇只能被拆,難以應用於發電

可控核裂變是目前功率密度最高的能源形式,全球第一座可控核裂變反應堆是由矚目的物理學家恩裡克.費米於1942年12月在美國芝加哥大學體育場建立的“芝加哥一號”反應堆, 這要比1945年8月6日全球首顆裂變彈(原子彈)用於戰爭的時間早了兩年多的時間。儘管世界上各軍事大國擁有超過14000枚各類核武器,但是,當前可控核裂變最主要的應用形式卻是以核電站為代表的民用方式和以核動力為主的軍用形式。

軍、民用反應堆差異明顯,核動力艦艇只能被拆,難以應用於發電

位於芝加哥大學的全球首座反應堆紀念館

軍用領域的核潛艇、核動力航母與民用領域的核電站的動力源都是核反應堆,軍用反應堆的類型絕大多數是壓水堆,也有小部分屬於金屬冷卻堆,而民用反應堆則包括壓水堆、沸水堆、重水堆以及氣冷堆等多種類。從技術角度來講,軍用反應堆與核電廠反應堆基本上沒有什麼差別,除了燃料方面存在較為明顯的差別外,系統配置和設備組成幾乎完全一樣。

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現代核電站的核島部分的一般組成

據統計目前全球在役的各種類型的核電站有400座左右,而全球現役的核動力艦艇的數量約為150艘,從當前應用規模上來說民用核能的體量要遠大於軍用,但是,如果考慮總體的建造數量,從全球首艘核動力艦艇“鸚鵡螺號”核潛艇於1954年服役以來,各國建造的核潛艇、核動力航母以及其他形式的核動力船舶裝置等的總量約在400艘左右。那麼退役下來的軍用核動力裝置為什麼沒有繼續改造為民用發電裝置應用呢?原因主要是安全性、經濟性兩個方面!

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軍用核動力裝置簡圖,除了螺旋槳外其他系統組成與核電站基本沒有差異

“安全”是民用核能利用的頂層要求,也是核能應用的核心內容。軍用核能利目前退役的核動力裝置中與民用最接近的是正在拆解的“企業號”核動力航母,“企業號”航母於2012年底退役,目前正在拆解。“企業號”航母共裝備了8臺A2W反應堆,總推進功率約28萬馬力(208MW);美國最新的“福特級”核動力航母裝備2臺630MWt級的A1B反應堆,總靜功率約300MW(208MW推進功率和92MW全艦電力供應),與我國大陸第一座核電站“秦山一期”的功率相同。美國核動力航母設計壽命一般在40年以上,而反應堆的壽命也大致如此,也就是說在航母退役之時,反應堆也到了設計壽命末期,結構材料在經過長時間輻照後性能已不允許經受高功率長時間運行。一個核電站從設計、建造、運行到後面的退役、拆解,“安全”貫穿整個流程,尤其是切爾諾貝利事故、三里島事故以及福島事故後,全球對民用核能的安全要求可謂是苛刻至極,絕對不會允許有核電站“帶病運行”,更不會允許已經達到設計壽命的軍用反應堆改裝為核電站!

軍、民用反應堆差異明顯,核動力艦艇只能被拆,難以應用於發電

全球第一艘核動力航母“企業號”於2012年退役,目前正在拆解

儘管軍用核動力裝置與民用核動力裝置的系統組成相似,但是退役軍用核動力裝置不能改為民用的原因除了軍用對退役之時已達到結構設計壽命外,軍用反應堆的設計標準與民用不同,軍用堆更關注在惡劣外部情況下的穩定性和快速機動性要求,而民用反應堆是安全第一、追求經濟性。因此,由於軍用核動力裝置在安全系統配置以及設計理念上存在的差異,即便是新的軍用堆想要用於發電,也需要進行大規模的系統性改造,而民用核電設施的審評要求足以顛覆軍用堆最初的設計方案,代價不是一般的高,完全不如重新開發一個全新的核電站更划算!

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核潛艇、核航母反應堆設計標準與核電站差別懸殊

除了安全性以外,軍用反應堆與民用反應堆還有一個明顯的差異,那就是經濟性!直白的說軍用堆最關注的是性能指標,如要達到多少航速、多長的換料週期、噪音水平如何以及在遭受攻擊時能夠有什麼要的魯棒性等,至於到底需要花多少錢去實現上述這些要求,其實並不是太關注,只要在本國軍費能夠接受的範圍內,肯定會按照最高的標準落實,因此,軍用堆單位功率的造價要比民用堆高出一倍甚至幾倍!比如高富集度核燃料、高端的設備材料、高端輻射屏蔽材料、高強度支撐結構設計以及快速功率控制系統等等,這些要求與民用核電相比,需要付出的代價要高出一個量級。

軍、民用反應堆差異明顯,核動力艦艇只能被拆,難以應用於發電

據稱是“福特號”航母上的A1B反應堆

此外,除了“配置”上軍用堆更加的“奢華”外,絕大多數的軍用堆的功率都比民用核電站小一個量級左右,在參數一致的情況下堆功率越小、能量換率越低,但是配置系統、設備的數量卻沒有減少,單位功率的投入成本也就會高出一截,經濟性自然就會越差目前最大的“福特號”用堆也只有630MWt左右,效率約25%;而當前第三代核電站的功率已經達4000MWt以上,如國家電投的CAP1400為4400MWt、法國EPR反應堆則達4500MWt,而效率可達36%以上!也就是說如果用軍用反應堆通過發電的形式參與市場競爭的話,在沒有外部資金支持的情況下,發電越多賠的就會越多,在市場經濟的環境下根本就無法生存。

軍、民用反應堆差異明顯,核動力艦艇只能被拆,難以應用於發電

目前全球功率最高的EPR反應堆,電功率達1700MWe,相當於16個“福特號”航母上的A1B反應堆

類似美、俄這樣的軍用核能技術強國,寧願花費大量的資金、時間將退役的核動力艦艇拆解也不會選擇將其改裝為民用核能裝置,主要原因是軍用堆的技術含量和性能要求都要比民用核電站高,不論是核動力航母還是核潛艇,只要軍用堆還有應用價值,是沒有國家會任性的將其改造為核電站的!當然,如果用軍用堆建造的核電站發出的電,會比正常電價高好幾倍,沒有市場競爭力的電是沒有生命力的!目前唯一與軍用堆有關的民用核電設施是俄羅斯的“羅蒙諾索夫號”海上核電平臺,用的是2座35MWe級的KLT-40S小型堆,計劃將於今年底或者明年初在遠東地區供電、供暖,據稱電價超過2元/度(甚至更高),這樣的價格除了一些偏遠的地區沒有其他選擇外,還真沒有人活著企業能用得起!俄羅斯經過12年的建造、調試,計劃今年底前將“羅蒙諾索夫院士號”在遠東地區正式投入運營,但具體情況如何還有待後續的實踐檢驗。

軍、民用反應堆差異明顯,核動力艦艇只能被拆,難以應用於發電

目前全球唯一的浮動核電站“羅蒙諾索夫院士號”


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