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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 ' a- c6 y' E0 F" E6 T
: S6 T2 _' }( d' T
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。
- Z+ _  V1 @. @5 o3 T  H- s. s0 j" f( r' N
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?% k& p, P# F# {4 I" H
4 b/ A) ^/ T# |4 p; W$ P
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。* t4 L4 C4 w/ \7 M; [

0 K4 a/ k/ Y8 A7 a7 Z% I! ?还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。
) k2 R- ^: E# d8 C) y2 Z/ b; {  B
这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。! ?+ N* h4 q0 h, q( d& R2 N

5 M; t' d# r# u; n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。8 n2 u8 {; B# P. Y0 B% {

7 Y+ n3 u, H+ s  o5 J; [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。, p6 m; l4 ~* e; g# f  @
1 J. p. u& `* }$ L. A
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。
2 J' Z6 L4 f; n6 K& ]5 I$ W$ j) E
# T8 h  x. M- z2 W2 U/ @# s. M1 J8 [钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。
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* X/ G. R8 x# b# _. b' m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。9 m; G- ^( A2 s* o9 K8 c- w9 D4 l
) \$ F& L! L) |1 T/ N/ E: R- |

, f# ~" J3 W% L' j% \典型熔盐堆示意图
& z+ u5 V9 ~: z
& v% A- |" j( b, ?& Y1 v4 w4 I
. d. J- R- G" J' _$ O* E/ c) O中国熔盐堆示意图; h! i& r. s" Y, I

8 ]" L3 }  W3 x: N- T7 V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。
) G" {* q& K& A; P7 J" y0 p5 y* n2 \( {4 A) K
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。
" I4 _6 O: H6 G7 U* x
* ?2 i2 k% V0 G8 w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。" h. m% o$ T- }3 E7 D
9 A* o  J  O* o+ n
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 {+ O( m& ?) N% x  t
- D9 z2 |5 y" S0 z+ E4 r$ u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。1 I# g* f8 v: H' }2 r* Z1 c
! M0 t' n6 n5 i7 A3 B! ?
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( g/ ?, h% y3 f" u4 \
# @" v: X" F7 r" Y
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。7 x5 E* {+ ]% a* w
+ C# b# ]% F0 r" [% G" j7 ^3 q
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。5 A( D9 J+ w3 u; |( }( N

% M/ L: {. `9 C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。+ D. j" t1 K' u1 \7 I8 X0 v/ q: w

, U$ q! _. d) f9 X1 ?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+ o1 J3 Y# f8 s
0 [% N& `* Z" W* G; `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?
* f, B5 C  ~- G& `4 E5 n) P$ G" ^
. b0 v' x) F- ]" [9 O) Z8 ~用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。
6 e+ k9 T; X7 ]
, N: Q, T2 V5 R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
    - c9 x: Z' _5 U' _. W3 F! w7 F3 [1 K
    $ }' B0 W* {* f9 ~* k  F5 K好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    . n  |% w2 I, J8 `$ x/ x4 D$ y2 M' r5 t. s% A, w
    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 01:41
    2 H, b% c  Q  |  q8 n好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了% M# ~/ Y3 N, t$ v) k; z/ G+ F
    / f2 _8 h) m. j7 |' r* o9 |
    还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...
    6 n8 h, T4 f; z1 J. @! Q8 V
    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

    0 G7 W" g9 O7 t7 n5 u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。. t7 d+ x7 x" G, G
    ' F0 ~* ^$ ~# x( c6 N3 e3 u
    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
    / X( }/ C* m" Q" v6 c( ^* v2 ?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 ...
    6 \9 u5 \5 I5 w7 ~4 g
    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 23:123 I: g; b; [% R  k0 e9 Q* c
    据说中国钍资源够用两万年

    9 n6 ]5 u# a. K) }9 H0 g. Q( g
    0 P7 n6 \7 {$ k1 W8 ~各种说法都有。可能因为钍元素没啥用,勘探口的人不用心。
    + u# {) v: u' w3 S  E8 c8 A* V$ f/ s) y+ D0 h) q/ m
    现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。1 k1 |; ~6 k; U+ i7 M2 [! O

    & @! S! C9 S5 n1 t
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