钍基熔盐堆：中国核动力航母的关键词

晨枫

, @1 I' |( p- ^% T5 g在不久前的2023年中国国际海事技术学术会和展览会上，中船集团江南造船发布了全球首型、世界最大24000TEU级核动力集装箱船船型，并获得挪威船级社（DNV）颁发的原则性认可证书。

' |: g- Z# C8 ~消息传出，人们将信将疑：集装箱船有必要核动力吗？各国商港让进吗？

也有敏感的人们马上意识到：这可能是核动力航母的幌子。但马上有敏锐的人们指出，换燃料周期只有15-20年，在航率会成问题。
! }9 n  g4 z: l4 \6 ]
' D2 [8 u+ E) Y, f还有人质疑：钍堆功率密度低，上舰的体积和重量太大。
$ ~4 Z; I  ^- H; ~
这些都是有道理的质疑，但是还是有一个但是。
( ?7 F. I& F3 @/ M3 J1 D* T
) t; `9 ^8 ?$ j, ^* s0 t7 c核反应堆的主流是铀堆，主要堆型是压水堆。压水堆用水作为冷却剂，为了避免水在循环管里沸腾，管路压力需要很高，一回路压力在150大气压，可保证水在343C下依然不沸腾。二回路的压力降低到70大气压，温度也降低到260C。相比之下，发电的超临界机组可达250大气压，温度高达500C。显然，压水堆在本质上限制了工作温度和热效率，并非理想，但是最成熟的。
2 A- M. x# k/ p( a5 D! w
由于工作压力很高，加上放射性屏障，压水堆的壳体非常厚重，什么先进技术也回避不了这个问题。“尼米兹”级的两台A4W压水堆各重635吨。钍堆如果因为功率密度低而更加笨重，确实是大问题。

2 j; B( C1 }- i! A, b; x3 F$ T钍堆很有潜力，但现在还在研究中，并无商业运作的钍堆，更无钍堆上舰的先例。

钍堆有熔盐堆和球床堆，现在的主流是熔盐堆。

熔盐堆，顾名思义，采用熔盐。熔融状态的盐在形状上好像火山岩浆，具有很高的热容量，是非常好的传热介质和载热体。熔盐堆有多种形式，可以将钍燃料做成传统的燃料棒，但主流是将钍燃料溶解于熔盐中，所以也称液体燃料。燃料熔盐可以是循环的，也就是说，钍燃料在反应堆里“燃烧”后流出，通过化学处理、去除杂质后，再次流入反应堆参加“燃烧”；或者是静态的，封装在反应堆内，只在堆内循环流动。
! s/ N( Z7 X, `  B: W

典型熔盐堆示意图
9 G, }6 Z+ @0 b$ t
  b6 _: L, I; t& K& {" d& l  W
中国熔盐堆示意图
5 a& v. {! `9 D6 ]1 I; c/ m/ A4 E, P
冷却总是用熔盐。燃料熔盐流动构成一回路，冷却熔盐流动构成二回路，然后通过换热器加热三回路，三回路的工作介质可以是水，也可以是二氧化碳、氢气等。在江南造船的设计里，三回路用超临界的二氧化碳驱动发电机。

铀燃料棒需要一定的丰度，才能使用足够长的时间。普通铀堆用低浓缩铀，一旦爆炸，只是脏弹；“福特”级用高浓缩铀，达到武器级浓度，一旦爆炸，就是货真价实的原子弹。因此，铀燃料棒都是封装在反应堆内的，换燃料很麻烦。

但钍基熔盐堆不管是循环的，还是静态的，熔盐是可以流动的，因此添加、更换钍燃料比铀堆要简单得多，并不需要切开反应堆。钍燃料的放射性也比铀燃料低得多，即使是铀钍混合燃料，也是低浓缩铀占小头，钍占大头，放射性与压水堆的固体燃料棒不可同日而语，也有利于更换、添加钍燃料。

也就是说，15-20年“加一次油”虽然不像汽车加油那么云淡风轻，但不需要像RCOH那么大动干戈。

由于压力大大降低和本质安全（不可能出现堆芯烧熔），堆壳重量可以大大降低，对冲功率密度降低的缺点。
8 H' G& y/ i6 M' [+ P$ K6 X. i
但熔盐堆的好处也是显然的。根据公布的数据，甘肃武威的2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆燃料熔盐的进口温度为630C，出口温度为650C；冷却熔盐的进口温度为560C，出口温度为580C。显然，热工参数大大高于压水堆，达到超临界发电需要的温度，即使三回路“烧水”，也可以达到工业热电级的热效率，而不是传统核电相对“温吞水”的热效率。
7 g5 L; W' H% |% W, _2 x2 o. }
( W& g' V" r" y9 B高得多的热工效率也意味着更加紧凑的动力机组，同样对冲钍堆功率密度低的缺点。

钍燃料还有价格大大低于铀燃料的优点，来源丰富，现在是当作采矿废料抛弃的，要处理还嫌低放射性麻烦。但钍其实是宝，只是以前没法利用起来。

/ P; @; u1 F. k$ f, y也就是说，钍基熔盐堆可能是舰船核动力的新方向，比“福特”级的高浓缩铀堆要先进一代。这不是画饼充饥，江南已经在强烈暗示了。
% n* c# _0 ?" [; [+ c$ m
2 m6 R1 T1 E) l. t从理论上的先进到实用上的先进，需要实验堆，尤其要在实践中认识熔盐的腐蚀性和解决办法。“可巧”，国家核安全局在6月颁发了甘肃武威的2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆的运行许可。据报道，接下来首先要进行一段间隙运作，然后过渡到连续运作，实验堆的设计寿命8-10年。在时间上，赶得上005吗？不知道。005需要赶吗？也不知道。

武威钍堆当然是为和平利用原子能而设计运行的，但谁说不能民转军呢？
5 Y' F6 k" C2 i* u" d
" v. b% ^9 p: X$ P  G' `' B6 D3 I用到核动力航母的话，那就真是领先美国一代了。
' _3 j4 r; b. O. z0 K! d' c
虽说也有大造65000吨常规动力航母的想法，但航母也可以高低结合嘛，既要质也要量。

数值分析

好啊，以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了

还可以考虑发展核动力补给舰，给航母海上加钍（这个可能没必要）。

晨枫

数值分析 发表于 2023-12-15 01:41
好啊，以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了

还可以考虑发展核动力补给舰，给航母海上加钍（ ...

海上加钍！你也太猛了，15-20年都不让回港！

五月

( B, m$ D5 Z6 Q6 w真是好消息。钍基熔盐堆才是中国的“核聚变”。中国的钍矿储量足够用几百年。几百年的储量完全相当于是核聚变所谓的无限能源了。

技术变成熟和降成本唯一的路径就是多多建造。

晨枫

五月 发表于 2023-12-15 09:09
7 s; H* s: }4 u; ~! W. v真是好消息。钍基熔盐堆才是中国的“核聚变”。中国的钍矿储量足够用几百年。几百年的储量完全相当于是核 ...

7 E/ ^5 f* f( R. `4 c8 U7 f据说中国钍资源够用两万年

五月

晨枫 发表于 2023-12-15 23:12
据说中国钍资源够用两万年

各种说法都有。可能因为钍元素没啥用，勘探口的人不用心。
, M; K! ^1 u: v' F6 m
现在钍可以用了，显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。
- Z- j% X5 f- P0 t+ ]