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由韩国蔚山国立科学技术研究所 Il Soon Hwang 教授领导的 MicroURANUS 项目开发了一种新型小型模块化反应堆,该反应堆可为海上船只提供动力,并且在其 40 年的使用寿命期间无需加油。 这些 SMR 具有本质安全和保护特性,即使在发生事故时也对环境友好。


作者: Il Soon Hwang 教授 17.11.2021

国际海运占世界贸易量的90%。目前,包括船舶和工厂在内的海事系统产生的全球温室气体 (GHG) 高达 3%。在最近一次会议上,国际海事组织(IMO)海洋环境保护委员会决定在2050年之前将温室气体排放量从2008年的排放水平减少 70%。欧盟的目标是超越国际海事组织的目标。

国际航运的柴油燃料成本约占整个生命周期运营费用的一半。从柴油转向天然气会增加成本,却不会大幅减少温室气体排放,因为燃料气体会在称之为甲烷泄漏的过程中从发动机泄漏。绿色氢可以是一个更有效的解决方案,它可以用来发电。

海事专家指出,核电是达到零排放航运成本的最终解决方案。60 多年来,小型模块化反应堆 (SMR) 已广泛用于海军潜艇和舰船。尽管小型模块化反应堆比大型反应堆安全得多,但海上环境过于恶劣,所以不得不去重视安全问题。

由于国际原子能机构(IAEA)将铀浓缩度限制为最高 20%,民用 SMR 只能使用铀浓缩度不超过 20% 的核燃料。因此,水冷 SMR 在其大约 40 年的典型使用寿命期间需多次加油。由于反应堆不受控制的运动,核潜艇在水上加油期间曾发生过核爆炸,导致邻近地区出现严重的放射性沉降。

为了避免海上船只必须使用低浓缩铀为其民用 SMR 加油,韩国蔚山国家科学技术研究所 (UNIST) 的 MicroURANUS 项目开发了 MicroURANUS,这是一种快速中子反应堆,可产生20 MWe并允许核动力商船在其 40 年的使用寿命期间使用其最初装载的核燃料。一对 MicroURANUS 微反应器可以为一个最大号的集装箱船提供动力,且不会在其整个使用寿命期间排放任何温室气体。

MicroURANUS 的反应堆堆芯由二氧化铀燃料和被称为铅铋共晶的重金属液态金属冷却剂组成。然而,众所周知,这种冷却剂在中子轰击下会产生剧毒的钋放射性同位素。但船上的工作人员无需紧张,因为坚固的 MicroURANUS 反应堆容器在第一次燃料装载后会被密封,使钋没有逃逸的机会。如果船只在事故中沉没,液态金属会在海水接触到密封反应堆容器的外壁时被冻结,所有放射性物质将被锁在里面,而且它还能承受水下的高压。

MicroURANUS 将彻底改革核能业务。它将实施所谓的“从摇篮到坟墓”的方法,国际原子能机构前总干事穆罕默德·巴拉迪(Mohammed El Baradei)、美国前总统乔治·沃克·布什(George W. Bush)和俄罗斯联邦总统弗拉基米尔·普京(Vladimir Putin)等在内的全球领导人都倡导此方法。如上所述, MicroURANUS的成品将通过中子轰击进行工厂测试,与发动机的生产及其质量保证程序一样,以确保它已达到足够的应力水平。完成工厂测试后,具有轻度放射性的 MicroURANUS 会被装进重度屏蔽的容器中运输到造船厂的干船坞,并安装到驳船或轮船的发动机舱中。第二次质量测试将在船上的干船坞进行。然后在投入其 40 年的航程前还会进行海上试驾。反应堆和海上系统进行的安全检查和保障检查都是根据国内及国际法规进行的。为了最大限度地减少维护需求,MicroURANUS 在设计中已经避免了所有旋转机器并且用创新的静态机构去取代它们,例如用于冷却剂循环的电磁泵。

在其使用寿命结束时,微反应器将被关闭并冷冻冷却,然后再取出、放置在严密屏蔽的运输容器中并运送到国际加油中心,如上所述。通过回收乏燃料、冷却剂和其他材料可以最大限度地减少反应堆产生的核废料,从而使整个系统具有可持续性与环保性。铅铋共晶冷却剂因具有化学惰性和沸点高的特性,所以其安全性远远优于任何其他 SMR。由于这种设计,实际上排除了堆芯熔毁事故的可能性,即使在假设最坏的情况下也不需要船员撤离,因为微反应器的纵深防御设计有足够的安全裕度,可以将所有放射性保留在发动机舱内。创建一个能将它安装在运营中的海上船舶所需的足够长的安全记录需要十多年的时间。

此外,微反应器的使用寿命还可以减轻IAEA的保障任务,因为人们无法从密封的反应堆中取出燃料。这也确保了核安全并防止了海盗或恐怖分子的袭击。微型反应器最初将用于沿海驳船上的发电和供热,从而可以以低成本从海水中生产无排放的氢气。希望这些海上制氢厂的运行记录能够为 IMO 提供一个足够的数据库来更新其安全规范,并说服海港接受由MicroURANUS 提供动力的船舶。

若想了解更多关于MicroURANUS的详细信息,可参见 IAEA 的 SMR 出版物,网址为 https://aris.iaea.org/Publications/SMR_Book_2020.pdf,其中还包含有关可终身运行而无需加油的非水冷微反应器设计的宝贵信息。


图片:可用于具有可持续生命周期的氢气生产和船舶推进的MicroURANUS © UNIST
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