從全球首艘核動力破冰船“列寧”號談起

16世紀，俄國北方沿海地區(qū)船員發(fā)現，對于相對厚一點的冰層，用船艏去撞破冰不如用重物去壓碎冰容易，于是建造了一種雪橇形船艏的“駁船”，上面裝滿石塊或冰塊，用人力或畜力牽引，翹起的船艏可“爬上”冰面，把冰壓碎，起到破冰的效果。擁有小型蒸汽機拖船“派洛特”（Пайлот）號的圣彼得堡商人米哈伊爾·布里特涅夫（Михаил Бритнев）受此啟發(fā)，決定改造自己的拖船，使之成為能夠破冰的船舶，為往來圣彼得堡和喀瑯施塔得的船舶開通航道。

1862年，米哈伊爾·布里特涅夫要求船廠對“派洛特”號拖船船艏進行改造，切掉部分，使得水線以下的首柱與龍骨線形成約20°角；還加強了船艏部和首柱的強度，當其在遇到較厚的冰不能“撞”開時，可先“爬”上冰，接著是依靠自身重量壓碎前進航路上的堅冰，如圖1所示。

改建后的“派洛特”號于1864年4月22日首次用于破冰，居然可以破當時春季的冰層，使該海域通航時間增加了6～8周。盡管它的破冰能力不足以壓碎喀瑯施塔得港隆冬的嚴酷冰層，但是大多數人認可其破冰能力，是第一艘具有現代意義的破冰船。

1976年，蘇聯為紀念第一艘破冰船“派洛特”號，發(fā)行了一張紀念郵票，見圖2。

破冰船“派洛特”號在現代人眼里很小，只有21 m長、3.4 m寬、2.5 m的吃水，配備了85 HP的蒸汽機。

19世紀末，沙皇俄國海軍中將斯捷潘·馬卡羅夫，向海軍部部長蒂爾托夫提交了關于建造大型破冰船的建議，直到1897年11月，沙皇終于批準了他的造船項目。馬卡羅夫中將確定了未來破冰船的功率為1萬 HP，排水量為6 000 t等主要參數。通過招標，1897年12月，這艘新破冰船在英國造船廠鋪設龍骨。1898年10月17日，這艘由尼古拉斯二世皇帝下令命名為“Ермак”（現譯為“葉爾馬克”）的破冰船下水。該船長93 m（改裝后為97 m），配備了2 500 HP的蒸汽機4臺，排水量為8 000 t，設44個水密隔間；在船艏及船艉都有一個壓水艙。當需要破冰時，就會將船艏的壓水艙清空，船艉壓水艙注滿水，在強大的主機推動下，讓船艏先沖上冰面后，再往船艏的壓水艙注滿水，然后依靠自身的重量將冰層壓碎。

1899年2月19日，“葉爾馬克”號交付。3月4日，該船回國抵達喀瑯施塔得港，見圖3。

“葉爾馬克”號首先將封凍在喀瑯施塔得港冰層中的船舶解脫出來。4月初，“葉爾馬克”號輕而易舉地打碎了涅瓦河河口的堅冰，使得1899年的航行季節(jié)開始得異常早。1899年5月8日，“葉爾馬克”號首次在北極航行。整整一個月后，該船在斯瓦爾巴群島附近遇到了厚的冰層，發(fā)現船體的強度不足以撞擊如此厚的冰層，船殼中出現了一些泄漏和其他問題。馬卡羅夫中將制訂了破冰船改造的工作計劃，多次決定其返回英國進行改造和維修，包括更換“葉爾馬克”號的整個船艏、加強船艏兩側的強度等。在以后的日子里，“葉爾馬克”號除了日常的破冰工作外，還參加了多次救援工作。

“葉爾馬克”號在戰(zhàn)爭年代為波羅的海艦隊的軍艦、潛艇以及商船提供了破冰護航；在和平年代參加了蘇聯的極地科學考察工作，1949年4月1日，被授予列寧勛章。盡管“葉爾馬克”號的動力、質量和船形不夠完美，但是可以比其他破冰船更自信地在北極的厚冰層中頑強航行，因此它成為此后多代破冰船的原型和蘇聯破冰船隊的“祖父”，包括核動力破冰船。

一、第一艘核動力破冰船“列寧”號

1953年11月20日，蘇聯部長會議批準了世界上第一艘核動力破冰船項目，動員了全國相關的30個研究所、250個工業(yè)企業(yè)和60個局一起從事設計、試驗研究和建造。該船的全部零部件由全國500多家企業(yè)生產，還專門創(chuàng)造了76種新型機械和大約160種新設備模型。該船于1956年8月25日在安德烈·馬蒂造船廠的船臺上鋪設了船舶構件的第一部分，見圖4。

在建造這艘獨特的核動力破冰船過程中，出現了前所未有的困難，采納了約500種合理化解決方案。1957年12月5日，核動力破冰船下水了，赫魯曉夫親自將其命名為“列寧”（Ленин）號。

“列寧”號下水后，主要工作是安裝和調試3個核反應堆，其中2個確保主渦輪機的持續(xù)運行，第三個執(zhí)行備用應急功能。3個核反應堆都被放置在破冰船的中央，可最大化避免因碰撞、觸礁等給核反應堆帶來的損害，見圖6。核反應堆為4臺主渦輪機提供蒸汽，功率達4.4萬 HP，用于驅動3個螺旋槳；通過發(fā)電機為各類設備及生活設施輸送電流，可確保不間斷的電源供應。

另一項重要工作是舾裝作業(yè)，在船艉設置了一個簡易的直升機機場，讓直升機進行冰情偵察時有可降落之處；船上各類生活設施主要是為船員提供舒適的工作和生活條件，以滿足船員長期值班的需求，主要配備了小型醫(yī)院、電影院、有三角鋼琴的音樂沙龍、圖書館、桑拿浴室、健身房和游泳池等。

如果破冰船用常規(guī)的內燃機，那么同樣的功率每天需燃料油約200 t，而核動力破冰船只需要45 g核燃料，相當于一個火柴盒大小。常規(guī)內燃機破冰船的一個重要不足——燃料油儲存有限，一般只能連續(xù)運行1～2個月，還需要預留約整個航程20%的燃料油用于返回基地或去加油站加油。而核動力破冰船在整個航行過程中沒有加“油”的需求，通常可以連續(xù)工作4～5年。船體被11個橫向水密艙壁分成隔間，即使2個最大的艙室被淹沒，這艘船也不會沉沒，“列寧”號動力系統結構如圖7所示。

試航結果顯示，“列寧”號靜水航速18 kn，破開約2 m厚的冰層時2 kn。1959年12月3日，“列寧”號開始服役。在最初服役的前6年里，她表現出了出色的效率和良好的破冰能力，行駛超8萬 n mie，為400多艘船提供破冰護航服務。

“列寧”號安裝了3臺90兆瓦OK-150型壓水堆反應堆，它們都被一個特制的永遠不能打開的蓋子密封，因此獲得了安全可靠的聲譽，據稱從未發(fā)生過危及人身健康的放射性物質泄漏事故。“列寧”號上的核反應堆在運行過程中曾發(fā)生2起事故，分別發(fā)生在1965年和1967年，但都進行了修復。1967年那次事故造成的損害較大，使得船上的核反應堆被迫拆除，更換為更加先進的新型OK-900型反應堆。

1974年，“列寧”號被授予列寧勛章，以表彰其對北極運輸和將核能用于和平目的的巨大貢獻。1984年，在慶祝“列寧”號服役25周年時，科學家們根據這艘船的實際情況，又讓其服役了5年。在“列寧”號30年的服役期間，為3 741艘次船舶穿越北極冰冷的荒原提供過破冰護航服務，航程65.4萬 n mile（約121萬 km），可沿著赤道繞地球30圈。在核動力破冰船出現之前，蘇聯北方艦隊在北冰洋只能航行3個月；有了核動力破冰船后，航行期限延長了8個月，見圖8。

蘇聯相繼建造十余艘核動力破冰船，功率越造越大。

直到1961年，美國才建造了世界上第一艘核動力航空母艦。“列寧”號不僅為蘇聯的經濟貿易服務，也為蘇聯對北部廣袤北冰洋的探險研究作出了巨大的貢獻。它還幫助積累了有關核電站運行、北極航行的經驗，并為新的核動力破冰船培訓了大量船員。

二、核動力艦船的未來

從中國大連到歐洲鹿特丹的海上航線，一般要從黃海和東海進入南中國海，再通過新加坡的馬六甲海峽跨越印度洋、穿越蘇伊士運河、進入地中海后到大西洋，最后才能抵達目的地，這樣繞一圈下來行程大約是2.3萬 km，一般需要花費32～35天時間。而通過北極的東北航道，可使行程減少約9 000 km，行駛時間可以減少約12～15天，大大提高了運輸效率，減少了運輸成本。另外，俄羅斯北極水域生產的天然氣等重要自然資源可以更加高效地送達包括我國在內的亞洲各個國家，但是前提是需要強大的破冰船提供服務。

我國第一艘核潛艇在1968年11月開工建造，1974年8月1日被中央軍委命名為“長征1號”，舷號為401。1985年3月20日，我國大陸第一個核電項目——浙江秦山30萬kW核電工程開工建設，并于1991年12月15日成功并網發(fā)電。2015年5月6日，我國自主創(chuàng)新、擁有完整自主知識產權的第三代核電技術“華龍一號”首堆示范工程正式落戶福清核電并開工建設，2021年1月30日投入商業(yè)運行。

核電產業(yè)的上游包括核電設備、核燃料、核材料的供應等；中游包括核電站的建設、運營；下游主要涉及發(fā)電、維修和后處理市場。我國已成為全球少數幾個擁有比較完整核工業(yè)體系的國家之一，核電技術水平和綜合實力躋身世界第一方陣；連續(xù)50余年守護核安全，從未發(fā)生過核事故。我國已經具備建造水面核動力艦船的能力。

2018年6月21日，中國核工業(yè)集團公司向造船商公開了我國將建造首艘核動力破冰船的競標，這意味著我國首艘核動力破冰船可能即將開建。2023年12月5日，在中國國際海事技術學術會和展覽會上，中國船舶集團有限公司旗下江南造船（集團）有限責任公司正式發(fā)布全球首型、世界最大24 000TEU級核動力集裝箱船船型設計，DNV船級社向江南造船頒發(fā)了該船型的原則性認可證書，這標志著江南造船在“近零排放”船型研發(fā)領域取得了革命性成果，如圖9所示。該型船利用核能這一清潔能源，采用國際上先進的第四代堆型熔鹽反應堆解決方案，運營周期內將實現碳“零排放”。

江南造船采用反應堆高溫低壓運行，在原理上規(guī)避堆芯融化，具備防擴散與固有安全特征。如不幸發(fā)生破口事故，將在環(huán)境溫度下迅速凝固，事故后除正常停堆手段外還可以把燃料鹽排出堆外，實現快速停堆，防止事故擴展。該船型的動力裝置布置于船舶安全位置，電力系統采用雙側冗余設計，充分保證供電系統安全，并具備從人員聚集區(qū)應急撤離功能。

相信不久的將來，我國會制造和擁有核動力的破冰船、航空母艦、巡洋艦及超大型集裝箱船等。