钍基熔盐堆：中国核动力航母的关键词

晨枫

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。
) d5 s* {. _7 E" G
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。
# X$ K! O1 f. c% ~. N
( Y  M: y1 }# g% P( \* M! V: J还有人质疑：钍堆功率密度低，上舰的体积和重量太大。
8 V6 X1 X3 R5 R- A2 e* M* F9 B( B0 h
这些都是有道理的质疑，但是还是有一个但是。

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。

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。

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。
8 }' I2 `7 [, T
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。
  t5 P' E3 w0 a5 c; B- L/ s- X

) p. e& |8 R# y8 O* C典型熔盐堆示意图


3 z/ F  z' H4 J0 b0 c中国熔盐堆示意图
5 ]4 {& J9 C/ P$ Z6 L' B" F# Q) m  n
  M$ d0 x+ R* C/ z% M9 d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。
  X! O6 R" ]* x7 A% L3 d) n
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。

3 X& S! w  m/ v# S  r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。

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。
; P) N# G1 c$ c9 D  M: e0 j4 A
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。
" }) ]. _" c- f5 Q+ z& v
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。
- P5 c* k' J/ [- c, x
2 U. h' h- T) f  z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。
$ Y" a& Y  B6 w+ N) x0 V9 [
% L% }+ `# R. |) Q6 }5 l4 Y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。
+ A# \5 ^. t0 f% ~3 Q
$ G, P' r1 w- m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？

: Z, D' N' n0 S0 c! ]# U- t用到核动力航母的话，那就真是领先美国一代了。

6 l- a3 w% \- t- ]* M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

: R% }* I8 P! r/ W
$ Q2 [6 j' S1 l' r好啊，以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
1 b/ z1 g/ F1 X3 v2 B
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
+ |0 Q, O+ X5 b/ r3 M: [! H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（ ...

3 s0 f$ p4 M0 G. E! |9 J海上加钍！你也太猛了，15-20年都不让回港！

五月

' y5 t4 X+ C' d- W" }% N# T( U7 f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
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 ...

1 N: }# ]9 K8 J7 k* C8 ]) h据说中国钍资源够用两万年

五月

晨枫 发表于 2023-12-15 23:12
, i: s" W/ S/ u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。
2 t! M1 j) U  m$ D
现在钍可以用了，显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。
# c' f* L& I" w6 Z" i