军、民用反应堆差异明显,核动力舰艇只能被拆,难以应用于发电

可控核裂变是目前功率密度最高的能源形式,全球第一座可控核裂变反应堆是由瞩目的物理学家恩里克.费米于1942年12月在美国芝加哥大学体育场建立的“芝加哥一号”反应堆, 这要比1945年8月6日全球首颗裂变弹(原子弹)用于战争的时间早了两年多的时间。尽管世界上各军事大国拥有超过14000枚各类核武器,但是,当前可控核裂变最主要的应用形式却是以核电站为代表的民用方式和以核动力为主的军用形式。

军、民用反应堆差异明显,核动力舰艇只能被拆,难以应用于发电

位于芝加哥大学的全球首座反应堆纪念馆

军用领域的核潜艇、核动力航母与民用领域的核电站的动力源都是核反应堆,军用反应堆的类型绝大多数是压水堆,也有小部分属于金属冷却堆,而民用反应堆则包括压水堆、沸水堆、重水堆以及气冷堆等多种类。从技术角度来讲,军用反应堆与核电厂反应堆基本上没有什么差别,除了燃料方面存在较为明显的差别外,系统配置和设备组成几乎完全一样。

军、民用反应堆差异明显,核动力舰艇只能被拆,难以应用于发电

现代核电站的核岛部分的一般组成

据统计目前全球在役的各种类型的核电站有400座左右,而全球现役的核动力舰艇的数量约为150艘,从当前应用规模上来说民用核能的体量要远大于军用,但是,如果考虑总体的建造数量,从全球首艘核动力舰艇“鹦鹉螺号”核潜艇于1954年服役以来,各国建造的核潜艇、核动力航母以及其他形式的核动力船舶装置等的总量约在400艘左右。那么退役下来的军用核动力装置为什么没有继续改造为民用发电装置应用呢?原因主要是安全性、经济性两个方面!

军、民用反应堆差异明显,核动力舰艇只能被拆,难以应用于发电

军用核动力装置简图,除了螺旋桨外其他系统组成与核电站基本没有差异

“安全”是民用核能利用的顶层要求,也是核能应用的核心内容。军用核能利目前退役的核动力装置中与民用最接近的是正在拆解的“企业号”核动力航母,“企业号”航母于2012年底退役,目前正在拆解。“企业号”航母共装备了8台A2W反应堆,总推进功率约28万马力(208MW);美国最新的“福特级”核动力航母装备2台630MWt级的A1B反应堆,总静功率约300MW(208MW推进功率和92MW全舰电力供应),与我国大陆第一座核电站“秦山一期”的功率相同。美国核动力航母设计寿命一般在40年以上,而反应堆的寿命也大致如此,也就是说在航母退役之时,反应堆也到了设计寿命末期,结构材料在经过长时间辐照后性能已不允许经受高功率长时间运行。一个核电站从设计、建造、运行到后面的退役、拆解,“安全”贯穿整个流程,尤其是切尔诺贝利事故、三里岛事故以及福岛事故后,全球对民用核能的安全要求可谓是苛刻至极,绝对不会允许有核电站“带病运行”,更不会允许已经达到设计寿命的军用反应堆改装为核电站!

军、民用反应堆差异明显,核动力舰艇只能被拆,难以应用于发电

全球第一艘核动力航母“企业号”于2012年退役,目前正在拆解

尽管军用核动力装置与民用核动力装置的系统组成相似,但是退役军用核动力装置不能改为民用的原因除了军用对退役之时已达到结构设计寿命外,军用反应堆的设计标准与民用不同,军用堆更关注在恶劣外部情况下的稳定性和快速机动性要求,而民用反应堆是安全第一、追求经济性。因此,由于军用核动力装置在安全系统配置以及设计理念上存在的差异,即便是新的军用堆想要用于发电,也需要进行大规模的系统性改造,而民用核电设施的审评要求足以颠覆军用堆最初的设计方案,代价不是一般的高,完全不如重新开发一个全新的核电站更划算!

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核潜艇、核航母反应堆设计标准与核电站差别悬殊

除了安全性以外,军用反应堆与民用反应堆还有一个明显的差异,那就是经济性!直白的说军用堆最关注的是性能指标,如要达到多少航速、多长的换料周期、噪音水平如何以及在遭受攻击时能够有什么要的鲁棒性等,至于到底需要花多少钱去实现上述这些要求,其实并不是太关注,只要在本国军费能够接受的范围内,肯定会按照最高的标准落实,因此,军用堆单位功率的造价要比民用堆高出一倍甚至几倍!比如高富集度核燃料、高端的设备材料、高端辐射屏蔽材料、高强度支撑结构设计以及快速功率控制系统等等,这些要求与民用核电相比,需要付出的代价要高出一个量级。

军、民用反应堆差异明显,核动力舰艇只能被拆,难以应用于发电

据称是“福特号”航母上的A1B反应堆

此外,除了“配置”上军用堆更加的“奢华”外,绝大多数的军用堆的功率都比民用核电站小一个量级左右,在参数一致的情况下堆功率越小、能量换率越低,但是配置系统、设备的数量却没有减少,单位功率的投入成本也就会高出一截,经济性自然就会越差目前最大的“福特号”用堆也只有630MWt左右,效率约25%;而当前第三代核电站的功率已经达4000MWt以上,如国家电投的CAP1400为4400MWt、法国EPR反应堆则达4500MWt,而效率可达36%以上!也就是说如果用军用反应堆通过发电的形式参与市场竞争的话,在没有外部资金支持的情况下,发电越多赔的就会越多,在市场经济的环境下根本就无法生存。

军、民用反应堆差异明显,核动力舰艇只能被拆,难以应用于发电

目前全球功率最高的EPR反应堆,电功率达1700MWe,相当于16个“福特号”航母上的A1B反应堆

类似美、俄这样的军用核能技术强国,宁愿花费大量的资金、时间将退役的核动力舰艇拆解也不会选择将其改装为民用核能装置,主要原因是军用堆的技术含量和性能要求都要比民用核电站高,不论是核动力航母还是核潜艇,只要军用堆还有应用价值,是没有国家会任性的将其改造为核电站的!当然,如果用军用堆建造的核电站发出的电,会比正常电价高好几倍,没有市场竞争力的电是没有生命力的!目前唯一与军用堆有关的民用核电设施是俄罗斯的“罗蒙诺索夫号”海上核电平台,用的是2座35MWe级的KLT-40S小型堆,计划将于今年底或者明年初在远东地区供电、供暖,据称电价超过2元/度(甚至更高),这样的价格除了一些偏远的地区没有其他选择外,还真没有人活着企业能用得起!俄罗斯经过12年的建造、调试,计划今年底前将“罗蒙诺索夫院士号”在远东地区正式投入运营,但具体情况如何还有待后续的实践检验。

军、民用反应堆差异明显,核动力舰艇只能被拆,难以应用于发电

目前全球唯一的浮动核电站“罗蒙诺索夫院士号”


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