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[武器展望] 钍基熔盐堆:中国核动力航母的关键词

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楼主
 楼主| 发表于 2023-12-15 14:24:19 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 晨枫 于 2023-12-15 08:15 编辑
/ D2 f8 P- \+ T# K+ s$ a% J' o& z6 m( g7 H. P
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。5 B$ M/ A/ o* B' n# d

( m- n+ J9 ]5 `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?# n# {; n% y: L- B: r" E1 Y/ E5 j

0 [3 T: A1 ~+ k. L/ k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。* h8 v( J) k( Z' w. M& w8 H

4 b# i' b8 w9 ^  e7 v/ b! O6 `3 B4 t# Q还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。
' |" J, B( U- N; w; K# a( q" @. [5 C0 R) O, K9 O8 D7 j& \2 Y) X( F/ F
这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。
8 h; z! [/ S8 }6 \2 r. R9 q; T  Q! u& X! {% R2 w1 i0 C8 E
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。! B! v4 R7 f" w5 t' h

, @  p, l. c7 h# r' U. [+ N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。  h6 e4 d8 i& @& x8 E

# L8 F* T) E+ ]) Z" T9 L" O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。
) r$ L& p1 W' T: D' ]; |% |0 J/ O) U; k. r8 J( Z
钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。
& M& C1 t. [+ j( ^; z! ^7 C  V$ M6 y/ C
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。
4 S% o5 |6 D- M: @: R$ Z) V6 d, |6 k5 }

, F2 s- `# i0 u; r  E典型熔盐堆示意图& ?0 w% ^9 k7 M
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! j: ?; L  B, |
中国熔盐堆示意图
1 a+ {5 b7 A: Z6 G4 e5 r) f$ E6 S6 c6 \9 t2 L
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。
  t* `: X( ^! P( h) D6 v& Z+ ^2 l6 O
) w' d7 X/ t& U( I, C6 w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。  d* d# V& |9 p% n. w

5 l, F# W/ x( a6 R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。
8 ~& ?, D$ ^8 V. d( Y. G: C6 w6 o, d; ]- l
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。' |( c6 I, P) H. S

  o- o8 e; \( |" ~" M9 C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。/ Y  i! W- x' `* k! t: b

  t+ s8 V8 G. [9 D4 J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。1 }8 {, {5 A9 Y& h% C- h
# y) u0 ?4 v% d
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。
% z9 x* b1 O. Y/ i, O) e" w5 W7 O7 |, _7 H( E; a5 T( x6 f
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。3 c; A, I9 ?) r* h% k
, F- I4 @8 h: V! M* I  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。
0 o) o0 I/ X; Z7 I2 W# U- V' V# {+ C2 {
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。
. H9 H# v8 s5 \' M1 [3 \3 w: J* m+ c6 m  I
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?
$ i, P: ^: {0 Z* {+ {; P
  k3 l7 g3 y) D8 c8 ^! w7 ]4 Y用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。8 [7 p% ~' c  e/ _) {6 {( r

$ C& T" ~: h) ?; U1 w/ j* _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。

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  • TA的每日心情
    开心
    2026-2-7 02:13
  • 签到天数: 1955 天

    [LV.Master]无

    沙发
    发表于 2023-12-15 15:41:36 | 只看该作者
    本帖最后由 数值分析 于 2023-12-15 15:42 编辑 ' X9 Y$ r% j/ o$ a. s

    ' y4 c5 k- S/ M  w1 X8 o好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    2 \4 U1 j) s' s, N$ P9 W, J, Z8 ~4 \
    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)。
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    该用户从未签到

    板凳
     楼主| 发表于 2023-12-15 22:05:00 | 只看该作者
    数值分析 发表于 2023-12-15 01:419 s) z: }* R, Y& l0 [
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了& V/ j; f/ d6 R5 v6 O# i6 M5 k
    2 j6 O0 B; z$ U6 V% f0 x
    还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...

    1 E3 C1 o0 N/ ^8 a. @海上加钍!你也太猛了,15-20年都不让回港!
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-1-2 23:51
  • 签到天数: 2 天

    [LV.1]炼气

    地板
    发表于 2023-12-15 23:09:39 | 只看该作者

    / t! M4 k; V+ i3 }9 n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。
    9 ~# v/ L0 L, u/ c' P* f
    # a) u8 i' }. \! n技术变成熟和降成本唯一的路径就是多多建造。
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    该用户从未签到

    5#
     楼主| 发表于 2023-12-15 23:12:27 | 只看该作者
    五月 发表于 2023-12-15 09:09* n) a3 e* d6 @1 P
    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 ...
    3 f6 ~4 r9 j6 p' n
    据说中国钍资源够用两万年
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-1-2 23:51
  • 签到天数: 2 天

    [LV.1]炼气

    6#
    发表于 2023-12-15 23:15:31 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-12-15 23:128 }1 E* u& ^9 E) @- q+ c0 |+ l
    据说中国钍资源够用两万年
    " d0 s% ]/ x% `4 n/ C) A- y

    2 o) m2 [: s5 h, g6 |9 }各种说法都有。可能因为钍元素没啥用,勘探口的人不用心。1 }. J+ h: c) R& H

    # l; Y; g$ [3 A& Y  f" u0 n现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。
    - H7 p. y% t) E
    3 @; {: o  A6 x
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