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【軍事博評】William:海上核電站與俄羅斯北極戰略

為推進俄國北極地區的發展,俄國在2007年開始下單訂造一艘以泰邁爾級核動力破冰船為基礎的無動力海上核能發電廠,並名為羅曼索諾夫院士號(Akademik Lomonosov)(以下簡稱「羅」號)。本船曾因船廠財政問題,開工後沒多久即轉手給另一大船廠續建,故亦延宕了數年時間。2010年本船下水,至今年10月,包括安裝核反應堆在內的所有工作基本完成,現正處於測試階段,並等候進廠裝入核燃料,預計明年下半年即可拖到俄國西伯利亞東端楚科其自治區的佩韋克鎮(Pevek),以供電給整個楚科其地區近六萬人口之用。俄國亦預期建造至少7個這樣的反應堆,分別部署在俄國北極地區大型定居點及具重要戰略價值的半島上(如下圖)。

裝有核動力的軍艦,大家都耳熟能詳,而過去曾出現的少數核動力民船,除了俄國的核動力破冰船外,都因為營運成本太高而被淘汰。何解俄國會對民用核能船舶再產生興趣,甚至破天荒的將民用核電廠裝在船舶上?

俄國北極地區 / 苔原區一直是資源極端豐富但又人跡罕至的未開發區。前蘇聯時代政府以革命熱情及更多福利補助(當然,早期還有殘酷的古拉格勞改營),終能吸引一定人口前往開荒。然自蘇聯崩潰後,經濟衰敗,加上環境異常惡劣,令大量人口遷移回較暖的南方或歐俄地區,北極地區的開發一直停滯。自21世紀伊始,隨著地球暖化持續,北極地區會比以前變得更溫暖,永久凍土層及極冰持續縮小,北極航運的運作時間愈來愈長,而預期即使人類減排有顯著進展,北極全年無冰仍會在2040-2060年間出現,並持續相當長時間,這些條件單單對北極地區及海域的開發而言是極為有利的。

但是,西伯利亞中部及東部同樣地廣人稀、資源豐富,為何俄國會對北極地區開發增加興趣?這主要是和北極航道每年通行時間日益增長,更方便大規模船運有關;相對地,要積極發展中及東部西伯利亞,仍需大力投入資源發展交通運輸網絡(尤其是重型貨運鐵路網絡),對於今日俄國經濟而言仍是較為困難。時至今日,西伯利亞的重型鐵路運輸仍集中於南部的西伯利亞鐵路及烏拉爾山東邊,西部的鐵路網(通向白海南岸及鄂畢河河口)仍十分稀疏,中部及東部更是空白。這些地區仍需靠流入北極海的內河運輸。故大力發展北極地區的航運及港口,其實不但有助北極地區的開發,同時也有助西伯利亞的資源與貨物出口。

這幾點其實亦反映在俄國政策性文件「俄羅斯北極政策2020」上。文件除強調保護北極生態及和平利用外,更強調經濟發展 / 資源開發及建立海路運輸的重要性,而為確保北極的開發、環保及有效利用,亦需要重新加強廢弛已久的北極地區防務,例如重整小規模但精銳的陸上及海上警備力量等,以加強對該區的有效控制。

問題是,開發及讓人口聚居亦需要能源維生(包括電能及供暖)及讓港口運作,同時要有足夠水源;而北極區/東北西伯利亞的陸路交通十分惡劣,又沒鐵路,燃油燃煤運輸十分困難,加上凍土帶水源大都處於結冰狀態,尋找水源也存在問題,故更需要極端穩定而對外界依賴極小的能源;另一方面,北極地區大部分雖只適合建立小型基地,但因孤懸「陸」外,內陸的支援未必可在短時間內達到,故對能源自給自足有更大需要。在這些要求下,核電幾乎成為不二之選。

就現時技術而言,小型核電裝置的優勢,要在地理環境惡劣兼交通極之不便的開發地區才能全面體現,前蘇聯過去其實亦致力為北極地區及西伯利亞內陸研發穩定的小型核能供電系統,例如準備退役的比奇比諾核電站(正正是海上核電站要代替的)就是全球最小型的核電站,其4個反應堆加起來竟然只能發出48MW的電力,只是青山發電廠的1/86 (反應堆體積及簡單程度也幾乎無法想像)。

另外,蘇聯也研發了以JS-7型重戰車的拉長型底盤為基礎的機動核反應堆TES-3 / TPP-3,作為發展西伯利亞及北極區之用(其原是為西伯利亞的礦場供電,整個發電設施分裝在四架「坦克」上,發電量只有8.8MW,可惜基於安全及價格理由,只是造了原型車就沒搞下去。然而,這東東其實還造了個固定版本TEhS-3)。

何解俄國現在北極地區供電上更著重發展海上發電平台?一來,北極地區交通惡劣而人口稀疏,建設陸上核電站無論在人力、建築材料運輸及工人戶外工作上都有很大困難;二來,可移動的大型核電駁船平台,需要大修時可直接拖回大型工業城市的核工廠(例如北德文斯克及莫曼斯克等),無需在缺乏支援的北極地區就地維修,大修期間亦可調來另一個平台補充供電,確保各定居點的電力供應不會間斷。

技術分析

中文媒體往往喜歡把外國科技新聞誇張化,例如部分報道(不論立場)將海上核電廠形容為全新事物甚至未知危險,然而這個俄國海上核電廠可不是什麼「驚天動地」的新技術,美軍在1960年代就曾將一艘自由輪(二戰戰時標準貨輪)改造成只能給拖動的軍用海上核電站,並部署於巴拿馬運河區9年之久。這條船反應堆的發電量大約10MW(青山發電廠8台鍋爐的總發電量為4108MW),只夠巴拿馬運河區幾千個美軍及家屬使用。然而,由於發電能力小而營運價值不低,加上巴拿馬交通運輸便利,化石燃料運輸不成問題,所以這海上發電站用了9年就退役了。

說回來,相對於50至70年代美蘇法「核電大躍進」時代的核子「神器」,「羅」號其實不涉什麼驚世駭俗的技術。如前所述,它雖是一個無動力的新型海上平台,但論船形、大小及噸位,幾乎和28年前的泰邁爾級核動力破冰船一樣,只是船頭換了一個較闊的設計而已。「羅」號所用反應堆KLT-40S亦是由泰邁爾級的KLT-40系列反應堆改進而來,分別只是由核動力堆改成發電堆,以及用純度較低(14%)的濃縮鈾,換燃料間隔亦較長(4年)而已。本船只有兩個反應堆,共提供大約70MW的電力,相對於比奇比諾核電站在發電能力上整整提升了45%;另方面,由於平台沒有動力艙也沒有貨艙,故具備更大的空間作為反應堆操作間、乏燃料貯存室及發電機房。「羅」號整個役期大約40年,每12年就會拖回莫曼斯克(或北德文斯克)的核工廠進行大修,即整個役期共大修2次,維修期大約1至1.5年。

前述資料已知,它的輸出只有青山發電廠的1.7%,相對其2億美元價錢而言,成本效益似乎很低。然而,在地理環境惡劣及營運人數不多的情況下,這種超小型反應堆的低發電能力反而凸顯其安全性更高及所需人手少的優點(事實上,KLT-40系列由1970年代投入使用以來,並未發生過核洩漏意外)。首先,由於發電量小,所需燃料少得多,每個爐內只有1.2噸濃縮鈾(相對來說,一般反應堆動輒上百甚至200噸),當中含170公斤鈾235。反應堆壓力容器大約只有3.8米*1.2米。其輸出小,相對爐溫及爐壓也較低,大約只有12.7大氣壓及攝氏280-310度(一次循環的冷卻水進入及離開時的溫度),對機器及管道的負荷亦較小。更重要的是,即使發生爐心過熱,在控制棒插入的情況下,百多公斤鈾235所產生的餘熱及衰變熱亦會小得多,就算在完全不理會的情況下,爐心亦需更長時間才達到融毀狀態,對於冷卻媒的需求亦自然較少。而且由於是海上反應堆,幾乎可以直接由海洋提取冷卻水不斷冷卻,進一步減少爐心熔毀的危險。

另外,堆芯體積小亦有其優點,最重要的是各重要部件都可造得十分緊湊,而且空間細小有利於安裝更多備份安全設施,例如KLT-40S的泵機 / 熱交換器就在反應堆四邊2公尺的範圍內,且空間足夠安裝4組(出名安全冗餘十分高的法式反應堆設計,都只會安裝三部泵機而已),而中間的相連管道十分短,不但有利反應堆的冷卻系統進行自然循環,而且焊接點更少,爐心溫度過高或發生洩漏的可能性亦較低;另一方面,反應堆亦有空間安裝更多自動化的被動式降溫冷卻手段,甚至必要時可把海水泵進圍阻體內,以冷卻反應堆。

而嚴格來說,這機組亦因為夠細小,其可建成內外層兩重圍阻體(平台主樓其實就是大的圍阻體),即使發生輻射物洩漏甚至爐心局部融毀,仍有把握困住絕大部分輻射物質至備用冷卻系統啟動(1)。而即使內層圍阻體內部因事故受幅射嚴重污染,外層圍阻體內亦裝有後備冷卻系統,接手反應堆的冷卻工作(例如爐底有注水器注入大量冷卻水,在爐心溶解時能確保散熱)。

有人認為泊在沿岸的海上核電站並不安全,例如受海嘯襲擊就不堪設想了,不過一來北極圈地區除堪加半島陸地外,大都不是活躍地震帶,歷史上鮮有受海嘯侵襲的紀錄;二來浮動的船舶反而最不怕海嘯侵襲,因為其會和上升的海面一同上升,只要事前得到預警,及時和岸邊斷電,駁船平台甚至可以比陸上任何地方安全(2)

對於北極地區而言,極度寒冷的天氣與物資匱乏可說是對當地開發的最大障礙,也是留不住人口的最大原因,而小型船用核能發電堆,雖說不能改變極區寒冷天氣,但能有效改善偏遠地區的居住條件及為定居點的運輸及產業提供充足動力,而且退一步來說,低壓低輸出的設計及更少的反應堆空間在各方面反而更增加其安全性,即使發生核事故,燃料數量及反應過後衰變物的份量少得多,亦大幅減少可能的威力及對反應堆壓力殼 / 圍阻體本身以至周圍環境的破壞。

附錄:

中國核工業建設集團近年亦積極開發分散式核能發電系統,其相關主要項目是開發較小型而低功率(而且佔地更小)的模組化核反應堆,初步成果是現時建造中的ACP-100(發電功率100兆瓦,大亞灣M-310反應堆的10%)。有人認為這與開發南海有關,然而100兆瓦電力雖然可建成海上核能發電平台,但對於南海任何海島那些最多只有一千人居住的填海島嶼而言,無論是佔地還是電力供應上都是過大(即使包括機場與軍民用設施用電在內)。事實上這主要是一個小型模組化陸地反應堆,主要供諸如舟山島、海南島等居民較多的島嶼使用。不過中核建連帶推出的ACP-10S 及ACP-25S兩種超小型反應堆就值得注意了。

南海小島(如西沙或南沙群島)除了氣候宜人外,其他環境和北極其實一樣惡劣,例如各島及海上開採設施幾乎所有給養都要由本土船運,飲水亦需要海水化淡,如果再用常規火力方式發電,燃料運輸的成本其實很高昂。如使用小型核能發電機組,補給負擔可大幅減輕之餘,強大電力及淡水更有利於開採設施的營運,以及各島礁上軍用及民用設施的運作,也更方便南海島礁在有事時的軍事利用。

                                                                                       (法國一體化式潛用K48反應堆示意圖)

不過,與由船用堆改良而成的KLT-40S緊湊型反應堆不同,無論ACP-100、25還是10,其技術來源卻是094型 / 093A型二代核潛艇所採用的一體化反應堆(設計參照70年代後期開始研發的法國K48 / K15型一體化自然循環式核潛艇用反應堆,事實上,中法兩國本來就有相當緊密的核技術交流),可以說是直接將已成熟的軍事技術轉成民用。這種反應堆特別之處是反應堆及熱交換器同在一個壓力容器當中,流出反應堆的高壓熱水管道就直接進入熱交換器,然後重新流回反應堆內。一體化反應堆的內部構造雖較複雜,但體形明顯更緊緻,機器結構更簡單,效率更好,而且內部是可以不用泵機就自然發生熱交換循環(不過還是裝了4台泵機作為輔助及備用循環系統) ,加上本來輸出功率與發電量小,燃料更少(設計只用鈾235富集度少於5%的核燃料),安全系數更高,而就算爐心出現故障並插下控制棒,只要保證熱交換器有足夠的水(例如直接向熱交換器加水),就可造成自然循環,確保爐心不溶解。由於其緊湊度高,作為海上發電站,其優勢及安全性可說和「羅」號不惶多樣,而且船身可造得較細小,也方便加裝更多緊急冷卻手段,也能停泊在南海島礁較淺水的港口中。

至於有人指出南海用小型核能發電堆比在北極使用更為危險,例如天氣及海況更惡劣,以及更容易遇到海嘯等,事實上似乎也是過於誇張的事。南海上次發生海嘯在1782年,但海嘯只在進入大陸架及整體上升的大塊陸地時才會發生,對於小島而言,頂多只會造成淹浸,而且由地球號事件可知,船泊面對海嘯時的危險性也遠比待在陸上為少;另方面,南海幾個大型島礁,原本就是巨大的環礁湖,是天然的避風港,過往就是各類大小船隻避風的場所。填島過後,現在還有更多港池、防波堤等,泊於港內的浮動核發電廠可說更為安全;就算作為海上開採設施的供電,由於此反應堆原本就體積細小,事實上發電船亦可裝配後備動力引擎(中核建的構想圖亦顯示,此小型海上電廠是有煙囪的),遇上颱風預警時,可臨時切斷電源並起錨離開,前往附近大型島礁避風。

註1:事實上,KLT-40系列的前代OK150型反應堆在停堆期間曾因在取走用過的核燃料前誤將冷卻水取走,結果發生爐心局部熔毀事故。然而,就算爐芯損毀了,反應堆壓力容器也沒發生什麼事,蘇聯人要等到打開爐蓋換燃料時才發現部分燃料棒已溶化。結果反應堆被整個取出,放進一個大容器內封存,兩年後等衰變熱散去,才把反應堆封死,丟到新地島那裏去了……

註2:311大地震時,泊在八戶港的日本的地球號超級深海鑽探船(排水量6萬噸,重心超高)受到海嘯衝擊,結果八戶市受嚴重破壞,但地球號絲毫無損,海嘯過後還帶著一批因參觀未能回岸的師生往港外過夜待避。當時情況可見以下片段

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William Lam
現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

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