2024可替代燃料系列报告之核能

核能 关于未来可替代燃料的专家解读 您值得信赖的可替代、低碳船用燃料顾问 目录 前言 海事脱碳所面临的挑战不仅在于它要发生，更在于它需要尽快发生。 从帆船出现到帆船鼎盛时期的运茶快船，经历了数个世纪的时间，而帆船向燃煤蒸汽船的转变则促进了供应链活动能力更强、速度更快的航运业变革。燃油蒸汽船、柴油机的陆续出现，又进一步实现了从帆船到机械动力的逐步改善。目前，航运业面临的能源转型与以往的演进过程截然不同。促进目前转型的，并非单纯是技术进步或经济效益，而是环保需求——关于减排的社会压力、政策和监管要求都越来越高。 尽管决策者在做出决策时，商业前景往往不明朗，但却清楚地认识到变革推动因素是政府政策和法规，如同温斯顿·丘吉尔命令皇家海军从燃煤改为燃油，或者在埃克森·瓦尔德斯号搁浅后出台的双壳油轮命令一样。在此背景下，船东、船舶承租人、保险公司、金融市场以及技术供应商都致力于更深入地了解该行业未来的走向。劳氏船级社致力于提供值得信赖的咨询意见，通过能源转型引领航运业安全、可持续的发展。我们推出的《可替代燃料系列报告》系列，聚焦于多种脱碳选择方案，分析了政策发展、市场趋势、供需机制以及安全影响。每一份聚焦于一种具体的燃料或技术，为行业面临船舶动力领域的下一次巨大变革提供了参考点，有助于应对即将出现的挑战。 本《可替代燃料系列报告》聚焦于核能。目前，这种动力源在航运业的应用较为有限，大体上局限于海军应用及俄罗斯破冰船。凭借在使用端零排放的前景，以及新一代更先进反应堆技术的出现，作为一种旨在满足广泛海事应用领域的运营和监管要求的零碳动力源，核能越来越受到关注。 对于航运业来说，核能具有变革性的潜力，如同从木材到钢铁、从船帆到蒸汽或者集装箱时代的变革一样。 第1章：引言 引言作者为马姆杜·沙纳瓦尼(Mamdouh el-Shanawany)博士，核能海事组织(NEMO)主席，国际原子能机构(IAEA)总干事国际核安全咨询组(INSAG)成员 在航运业部署核能是解决航运业脱碳挑战的关键举措。 国际海事组织(IMO)修订温室气体(GHG)战略后带来的巨大挑战，使得核能在能源议程上占据了一席之地。海军及少数国有货船和破冰船采用核推进的历史已有70多年，并且实现了无与伦比的安全记录。尽管商业应用尚有待实现，但目前正在开发的先进核技术会促进新一代大型、高效货船的安全部署，在零排放的情况下实现更高航速。 核能可以在地理足迹最小的情况下提供稳定、可靠的能源输出。浮动核电站(FNPP)作为“绿色航运走廊”的枢纽，只需将海水和空气作为原材料，就能生产出航运合成燃料。 核动力船舶与能够生产合成燃料的FNPP相结合，是应对航运业脱碳挑战的符合逻辑的解决方案。为了在全球范围内促进商用核动力船舶的发展、部署移动式FNPP，国际海事组织和国际原子能机构需要重新审视并调整现有的要求。 航运业的能源转型不是一朝一夕之举。尽管核动力是终极脱碳方案，但并非所有船舶都适合核动力。除进一步提高能源效率以外，目前为实现2050年航运业脱碳目标而讨论的主要方案包括氢和氢基合成燃料生产以及碳捕集。这些都是能源密集型活动，意味着要实现国际海事组织的净零目标，所需要的能源要远远超过全球航运业目前的消耗量。无论是采用可再生能源还是核能，能源生产都一定不能加剧整体温室气体排放。核能相对于可再生能源的优势在于， 核能海事组织的宗旨是将利益相关方与相关专业知识结合起来，协助核能及航运监管机构针对浮动式核动力的部署、运营和退役制定适当的标准和规范。核能海事组织会提供专家指导意见，推进最高安全、安保和环境标准，助力释放这一新兴行业的潜力。 核能是什么？ 关于核能 核反应堆将通过受控核裂变释放的热能汇聚起来，产生热量，而热量可以转化为由电动力、机械动力或热动力等构成的组合。 就海事应用来说，核反应堆产生的动力可以用于满足推进、工业用途及其他船上需求。核动力的多个特征，有助于为航运业带来新的经营和商业模式：核动力的变革性，可以与船帆被蒸汽取代、燃煤被石油取代的变革性相当。此类特征包括无直接温室气体或其他排放，加注期以年甚至十年为单位，可靠性高，以及运行期间需要的维护有限。 核裂变 核能的来源是高能量密度的放射性重型材料；其生产、分配、处置和使用都受到严格监管。考虑到其作为燃料的性质和成本，因此需要进行资本化，而不是作为营业费用。 重原子核裂变为多种较轻的元素，同时释放能量。核反应堆能够安全地维持核裂变并将所产生的能量捕集为热能，进而转化为由电动力、机械动力或热动力等构成的组合。 核能来源的大小、形状和形式因反应堆设计的不同而有所不同，包括固体芯块、棒料和液体。不同燃料的裂变同位素U-235浓度有所不同，包括受到严密监管但可向持牌民营公司供应的低浓缩燃料，以及仅有少数国家在军事或研究反应堆中应用的高浓缩燃料。 围绕经营性核反应堆的成本结构和监管控制措施，会在船舶运营人与反应堆所有权人之间建立新的关系。部分船东和运营人可能会购买反应堆产生的电力，但不会拥有反应堆本身，由此避免船东被卷入核反应堆复杂的许可、运营事务中。 核反应堆的主要运营差异在于其不需要燃料加注。不仅不需要针对预计行程加注燃料，核反应堆还具有运行数年甚至是数十年而不需要加注燃料的潜力。预计燃料加注的时间间隔至少为五至八年，甚至有可能长达30年。 性质表 核能的优点和缺点 能量密度对比铀235 – 3,900,000 MJ/kg柴油– 45 MJ/Kg 不含氮(NOx) 可替代燃料系列报告之核能 核能作为船用燃料的就绪状况 劳氏船级社与行业利益相关方合作，对核燃料生产和供应进行全面评估，同时评估了针对船上发电而正在开发的反应堆技术。 劳氏船级社海事脱碳中心制定了以多种维度衡量各种燃料目前就绪水平的框架（见《零碳燃料监测系统报告》）。 劳氏船级社海事脱碳中心根据监测结果确定将会提升解决方案就绪水平，加快安全和可持续净零排放转型的研发和部署项目。 在军事行动和破冰作业中，目前已经有一些核动力船舶，其中许多船舶使用的是高浓缩铀(HEU)，而其反应堆类型并不适合商业用途。航运核动力的就绪状况评估，反映的是核动力解决方案针对商业海运准备就绪所需要开展的工作。目前正在开发的新一代先进核反应堆可以同时在陆上和海上应用，吸引了广泛的投资者推进基础技术及核反应堆设计。 通常，主要关注点会放在新解决方案的技术就绪水平(TRL)上，旨在评估各种解决方案用于航运应用的成熟度。技术就绪水平解决的是技术验证、扩展和安全性相关的问题。不过，技术就绪只是针对商业航运进行总体解决方案就绪状况评估的一个要素。投资就绪水平(IRL)评估海运解决方案的商业成熟度，其中会考虑财务方案、行业、供应链动态以及市场机会。社区就绪水平(CRL)会考察海运解决方案的社会成熟度，其中会考虑个人和组织的接受和采用情况；也包含监管、可持续性以及社区接受等方面。 考虑到公众对安全性的认知，针对核动力经营取得社会许可会是一项主要挑战。 关于各种反应堆技术的具体情形，会在第5章予以详细讨论。投资就绪水平(IRL)、技术就绪水平(TRL)和社区就绪水平(CRL)的定义见附件1。 技术就绪水平按一至九级评估，投资就绪水平和社区就绪水平按一至六级评估。 2.1第2章： 一般安全性和放射性问题 关于核技术的公众认知 在各种可替代燃料中，将核能用于航运业所面临的一个独特挑战是公众认知。尽管核能行业的安全记录良好，但由于核事故的潜在严重性，福岛和切尔诺贝利核事故一直在影响着公众的观念。 公众的另一个顾虑是核反应堆堆芯熔毁，可能会导致释放过量辐射。新的反应堆设计都具有多种被动安全特性，能够防止释放放射性物质，即使发生污染，也可以将污染的影响降至最低。 公众关于核技术的主要顾虑是高度辐射对人类的影响，可能会提高患癌的概率。通过研究，目前对低度辐射的理解度较高，因为不清楚低度辐射是否会对人类健康造成威胁。要获得经营的社会许可，需要新的应用全面展示正常情形或者意外情形下的辐射与日常生活中的辐射并无差别。按照公众的要求，内在安全设计需要作为核系统的最低要求。 另一个主要顾虑是放射性废料的处理，包括烧过核燃料和污染材料的处理。要获得经营的社会许可，必须妥善计划烧过核材料的最终处置，必须适合防范持续性问题。关于此类材料的安全存储和处置，已经实施了多项国际标准，会在第4.3章予以阐述。 关于坏人利用移动式核反应堆开展邪恶活动的顾虑，可通过全面证明符合国际原子能机构“3S”要求的“安保和保障”方面予以应对。 目前已经颁布了健全的法规，对核设施正常运行期间以及紧急情形下的人体辐射设定了限值，这在本章中会予以阐述。 由于对安全、可靠且低辐射电力的需求越来越重要，因此，对岸上核电的公众支持一直在提高。公众参与，将成为核技术商用的重要组成部分。 2|安全性 一般安全性和放射性 辐射暴露 简介 反应堆中使用的核能来源是高度放射性物质；接触此类放射性物质会对人身健康造成危害。因此，不仅实施了多种旨在保护工人免于接触任何放射性物质的安全系统，而且谨慎地设定了较低的、在核设施内工作的人可以接受的暴露限值。 我们在日常生活中都会暴露在自然来源的辐射之中，如来自空间的宇宙辐射以及来自人造来源的微量辐射。这种背景辐射存在地理差异，受当地地质、海拔及建筑环境的影响。辐射暴露的另一种常见来源是医疗程序。 据美国国家辐射防护与测量委员会(NCRP)表示，美国人每年的平均辐射暴露量为6.2 mSv，其中约50%为背景辐射，48%来自于医疗程序，<0.1%为职业暴露，<0.1%为工业暴露，2%为消费者暴露。 接触电离辐射的健康影响可能不会立即显现，而且会因所暴露剂量的不同而有所不同。急性辐射中毒可能会导致在数日内死亡。暴露于高度离子辐射的，会增加患癌风险。 放射性无法被人体感知，因此导致了在未觉察的情况下被辐射的风险。可以使用工具测量放射性，追踪辐射风险，并且在辐射水平上升时发出警报。 国际原子能机构建议，自然背景辐射以外的任何辐射都要在合理情况下保持越低越好，但应低于个人剂量限值(IDL)。辐射工作者的个人剂量限值为平均每5年100 mSv，对于一般公众来说，平均值为每年1 mSv。个人剂量限值的计量和应用存在国别差异。 围绕核能发电制定的严格技术和运行安全规章，反映了辐射暴露和环境污染的潜在风险。 国际原子能机构的报告显示，辐射工作者每年接受的辐射剂量远低于个人剂量限值。 目前考虑用于航运业的核反应堆设计，都具有能够防范核事故的具体被动安全特性。老一代核反应堆设计的弱点之一是依赖于外部冷却系统防止燃料过热。即使反应堆已经关闭，也需要进行这种冷却。在这些老一代设计中，冷却系统发生长期故障的，如泵停电，可能会导致反应堆中的温度过高。 对于反应堆设计以及应急计划区和应急计划制定来说，监管评估和审批的一个组成部分是反恐考虑因素。旨在将下一代反应堆设计的故障风险和后果降至最低的被动安全特性，也能降低发生蓄意攻击时导致安全壳失效的概率和后果。 商业核反应堆不可能像核武器一样发生爆炸。民用应用中的核能来源浓缩程度有限，可以避免被用于制作核武器。通过将浓缩程度保持在20%以下，考虑到进一步浓缩所需要的技术和措施，商用反应堆中的燃料不具有制作武器级铀原料的吸引力。 最新的反应堆设计包含被动安全特性，如不依赖于应急发电机的冷却系统、具有安全相关功能的泵，使得此类反应堆即使发生故障也能确保“离场安全”。被动堆芯冷却系统降低了核事故的风险以及核事故造成的后果。 核反应堆模块需要符合国际原子能机构的安全、安保和保障(IAEA3S)要求，而传统能源则不需要符合这些要求。这些措施导致相对于传统船舶来说，核动力船舶防范恶意攻击的能力更强。 比如，熔盐反应堆(MSR)具有非高压性，使得在发生故障时任何放射性物质的扩散都会受到限制。熔盐反应堆设计采用了多种手段，利用熔盐的固有特性，可以在温度升高时实现被动关闭。 核能监管 英国《商船（核动力船舶）条例