浮動核電廠是以海上平臺或船體為基礎(chǔ)建設(shè)的核電廠，具有一定的機動性，可為沒有電網(wǎng)、人跡罕至的濱海地區(qū)，海島及海上石油鉆井平臺提供能源，也可以助力南極和北極地區(qū)資源開發(fā)等。

1 發(fā)展背景

為解決濱海邊遠地區(qū)及海上石油鉆井平臺的供電難題，國外自上世紀60年代開始出現(xiàn)浮動核電廠概念。但是，只有美軍曾建設(shè)和運營一艘電功率10兆瓦的“斯特吉斯”號浮動核電廠，在1968—1975年為巴拿馬運河地區(qū)供電。進入21世紀，美國、法國、韓國等提出了多種浮動(或水下)核電廠構(gòu)想，但均處于概念設(shè)計驗證階段。俄羅斯利用獨有的破冰船核動力裝置，率先將商用浮動核電廠概念付諸實際。

俄羅斯北部地區(qū)和偏遠地區(qū)占俄羅斯領(lǐng)土的50%以上，人口約兩千萬。這些地區(qū)距離水上交通干線和鐵路較遠，但聚集了俄羅斯三分之二的礦產(chǎn)資源。要想利用這些資源，就需要提供大量的電力。然而俄羅斯統(tǒng)一電力系統(tǒng)公司供電范圍只覆蓋約15%的領(lǐng)土，俄羅斯北部地區(qū)處于分散供電狀態(tài)。此外，俄羅斯淡水資源分布不均勻，雖然擁有全世界近一半的淡水資源，但80%的人口卻生活在只擁有8%淡水資源的地方。為了滿足電力和淡水供應(yīng)需求，俄羅斯認為利用核反應(yīng)堆的浮動發(fā)電系統(tǒng)是最佳的解決方案。為此，俄羅斯發(fā)展了使用KLT-40S核反應(yīng)堆的浮動核電廠。根據(jù)設(shè)想，這種類型的核電廠可以在發(fā)電的同時，為家庭和工業(yè)用戶供熱(熱電聯(lián)產(chǎn)核電廠)或進行海水淡化(核電-海水淡化系統(tǒng))。

“羅蒙諾索夫院士”號是世界上首座商用浮動核電廠，始建于2007年，后因經(jīng)費不足等原因停工，2012年重啟建設(shè)；2013年10月完成反應(yīng)堆安裝；2017年完成建設(shè)并啟動調(diào)試；2019年3月，完成為期10個月的反應(yīng)堆試運行，達到滿功率運行；2019年7月，獲得俄聯(lián)邦生態(tài)、技術(shù)與核能監(jiān)督局頒發(fā)的運行許可證，有效期為10年；2019年8月23日，“羅蒙諾索夫院士”號從摩爾曼斯克港起航，于9月14日到達佩維克港；2019年12月19日，在完成全部審批流程及準備工作后，正式并網(wǎng)發(fā)電，將與比利比諾核電廠一同為俄羅斯遠東地區(qū)楚科奇的佩韋克港及附近區(qū)域供電。俄羅斯國家原子能集團公司表示，在完成并網(wǎng)發(fā)電后，并網(wǎng)供熱相關(guān)工作將于2020年完成。

2 “羅蒙諾索夫院士”號浮動核電廠

“羅蒙諾索夫院士”號主要由駁船、海上設(shè)施和陸上設(shè)施三部分組成，由拖船拖行，核電反應(yīng)堆安裝在駁船上，是浮動核電廠的核心設(shè)備。海上設(shè)施主要用于系泊發(fā)電機組，并向陸上輸送電力和熱能。陸上設(shè)施將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能和電力傳輸?shù)较嚓P(guān)網(wǎng)絡(luò)，輸送給終端用戶。

2.1 駁船

“羅蒙諾索夫院士”號船體長144米，寬30米，高10米，排水量2.1萬噸，需要約70名船員。

船體為全焊接式，分為兩個區(qū)，一個為生活區(qū)，另一個區(qū)容納船舶設(shè)備和機械裝置。后者包含反應(yīng)堆、汽輪機以及輔助系統(tǒng)和操作設(shè)備。反應(yīng)堆艙及核燃料管理艙位于船體中間部分。這兩個艙與其他艙由不透水艙壁分開，不透水艙壁也可對艙形成物理生物防護屏障。

“羅蒙諾索夫院士”號擁有防冰加強型外殼和冰上拖船專用拖動裝置。主船體和上層結(jié)構(gòu)的承重結(jié)構(gòu)由高抗脆性斷裂鋼材料制成，可確保低溫環(huán)境中的船體完整性。電化學(xué)防護和抗冰油漆層可以對船體水下部分起到防腐作用。大修周期為12年，需將電廠拖至船廠進行維修。進廠維修期間，同時進行反應(yīng)堆換料，并處理船上前幾次換料產(chǎn)生的乏燃料和放射性廢物。大修需耗時1年，隨后將電廠送回繼續(xù)工作。

2.2 核反應(yīng)堆主發(fā)電系統(tǒng)

“羅蒙諾索夫院士”號裝備兩臺電功率35兆瓦的KLT-40S反應(yīng)堆，單堆熱功率為150兆瓦。KLT-40S的原型堆KLT-40是一型破冰船動力堆(壓水堆)，已在北極極端氣候條件下使用數(shù)十年，技術(shù)成熟。KLT-40S由KLT-40經(jīng)適裝性改造而成，使用豐度18.6%的二氧化鈾彌散型燃料，換料周期3～4年，船上具備換料能力并設(shè)有乏燃料和放射性廢物貯存設(shè)施。

反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽推動汽輪機發(fā)電。從汽輪機排出的蒸汽，將首先在換熱器中加熱給水，然后在使用外來水(海水)的主冷凝器中冷凝。冷凝泵將冷凝蒸汽送入除氣室，去除其中的氧氣。隨后排氣泵將給水送入反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器，并如此循環(huán)往復(fù)。

KLT-40S反應(yīng)堆在船體傾斜近30°的情況下也能運行，若發(fā)生意外或控制電源中斷，可自動停堆；反應(yīng)堆本體的壓力容器采用鋼結(jié)構(gòu)，是專門為浮動核電廠定制的；反應(yīng)堆系統(tǒng)放置在加固的“反應(yīng)堆艙”內(nèi)，堆艙底部結(jié)構(gòu)形成鋼制水箱，盛放冷卻水，用于余熱排出與輻射屏蔽。

圖1 KLT-40S反應(yīng)堆示意圖

2.3 備用和應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng)

為了保證拖船以及船上的核能裝置穩(wěn)定運行或發(fā)生緊急情況時的供電，“羅蒙諾索夫院士”號安裝有應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng)。配備了4臺備用柴油發(fā)電機，每臺功率為800千瓦；以及4臺緊急備用柴油發(fā)電機，每臺功率為200千瓦。還擁有備用鍋爐廠，蒸汽輸出量為16噸/小時。自動起動機系統(tǒng)由2組24伏起動機蓄電池供電。備用柴油發(fā)電機可在10秒內(nèi)自動啟動。

2.4 海上和陸上設(shè)施

浮動核電廠的預(yù)期工作地點為自然水域，其規(guī)模和深度應(yīng)足以滿足部署要求，且有足夠的額外空間供輔助船只順利進出。浮動核電廠部署點需要安裝大量水利工程設(shè)施，保證實現(xiàn)浮動核電廠的停泊和離泊、正常操作以及岸上運輸及技術(shù)通信線路的鋪設(shè)。裝置包括海防結(jié)構(gòu)(防波堤、擋浪板)、浮動核電廠部署濱海結(jié)構(gòu)(停泊設(shè)施)、浮動核電廠工作水域、疏浚、護岸、航標。浮動核電廠停泊水域必須足夠?qū)掗?，可容納輔助及維護船只。浮動核電廠擁有兩座核反應(yīng)堆：如果一座反應(yīng)堆停運，另一座可繼續(xù)供電。

海岸一側(cè)的設(shè)施布置應(yīng)便于將浮動核電廠產(chǎn)生的能量配送給用戶及公共電網(wǎng)、運輸通信線路以及行政及維護服務(wù)建筑。需建設(shè)熱能輸送站，將浮動核電廠中間回路的熱能輸送至陸上分區(qū)加熱網(wǎng)，調(diào)節(jié)浮動核電廠的中間回路泵、熱水循環(huán)泵以及水-水加熱器加熱分區(qū)加熱系統(tǒng)中的水。此外，還需要建設(shè)污染控制設(shè)施，處理浮動核電廠及陸上設(shè)施排放的廢水和蒸汽。修建車輛輔道，以便于運輸、連接浮動核電廠與現(xiàn)有的當?shù)氐缆放c高速公路系統(tǒng)。設(shè)在海岸的相關(guān)電力和傳熱設(shè)施以及其他輔助設(shè)施占地面積約為1～2公頃。

3 小結(jié)

與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)相比，“羅蒙諾索夫院士”號浮動核電廠擁有四方面優(yōu)勢。一是部署靈活，既可長期服務(wù)于某一地區(qū)或某種海上活動，也可機動部署，在緊急情況下快速調(diào)動。二是具有較強的能源保障能力，電力供給可滿足20萬人生活需要；也可用于海水淡化，日產(chǎn)24萬噸淡水；還可直接用于供暖。三是可船上換料和暫存乏燃料，提高換料效率，同時保證乏燃料安全貯存。四是不產(chǎn)生二氧化碳等廢氣，利于保護海洋環(huán)境資源。浮動核電廠可為海洋開發(fā)活動、偏遠濱海地區(qū)、島嶼以及海上基地提供充分可靠的能源保障，對維護海洋權(quán)益、開發(fā)海洋資源具有重大意義。

但是，KLT-40S反應(yīng)堆換料周期短，3～4年就需要換料一次，期間需要將乏燃料貯存在船體內(nèi)，雖然俄羅斯對此進行了相關(guān)安全性設(shè)計，但換料過程仍較為復(fù)雜。為此，俄羅斯設(shè)計了KLT-20浮動核電廠反應(yīng)堆。KLT-20仍為壓水堆，電功率20兆瓦，換料周期為10年。KLT-20反應(yīng)堆在KLT-40S基礎(chǔ)上進行了雙回路設(shè)計，可避免KLT-40S換料周期較短而引起的各種問題。如果在浮動核電廠中采用KLT-20，則無需在船上貯存燃料和乏燃料。換料和廢物處置工作會在返回基地保養(yǎng)期間完成。