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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 / c% k3 M0 }. N, L% {8 b8 }! U  w0 R

+ B# f, y! K8 W7 ]  W$ J8 f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。
; a+ [2 l$ |$ {% y1 m- c
3 I& G1 e* K  X  d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?
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. r6 V1 J4 s6 c* K0 y$ x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。- _5 P) z  Z' g$ M

6 z* f) k7 L* {* ?" L; B  u2 l还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。/ G! W, p' Z, O6 x7 \. z

" X  H# u6 k& ?9 e) E! r这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。
: i! W& l8 }1 c7 k6 s' }$ u
! v+ C+ R6 c- J4 B1 i4 x+ A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。
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- k7 S/ Y9 z( n+ I; ~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。( E) x2 H! D* P* h7 S. V% [% q+ u

. b& c3 z" y3 C4 r7 N  f1 Y' I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。. k' r  `% |% r/ A
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钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。
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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。
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典型熔盐堆示意图7 @1 U: j8 s$ L) H" T0 ]2 B7 p9 v' r

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中国熔盐堆示意图+ K) f% Y6 ~  D8 R- f, n
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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。
1 a" ]8 ]+ K# }
: ~7 l3 n9 G8 ?. A, c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。
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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。7 r& @, S* J# `- A
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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。
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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。' U: N0 r, `6 v' D2 e, Y
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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。, o8 e3 x. {  O* Y

5 ~2 u% h; O* \- c  N! t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。2 O: w1 |) ?& D5 M7 v7 m& v

' A- J$ ^0 z/ @. \2 [) }/ ^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。; Q# E2 H9 F0 y+ D% S& k  N0 Z

# n; S) J( M7 [7 ^" k, f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。2 ~' \; F' j9 t  p

7 R) R( Y6 n* u# J' d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。
7 C: [, r3 t( G! ^+ |7 Y7 R# r' I/ e  {, U
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?- W6 P. ~4 l1 r+ ?

5 L6 q3 Q9 d$ v% s! h用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。
9 W( z2 q, Q; F7 q% ~; Y# [' B$ w* d5 M5 E/ }
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
    昨天 06:02
  • 签到天数: 1924 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
    ) }, L( t# ?+ w8 \5 K1 e7 b7 W0 t/ z* D* M/ D
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    ; `0 }. k; ?( S! s) Q- U# u6 p
    9 C7 r7 J; V, f, ?* d# l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( K0 o% y/ N/ R# c
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了' k2 \+ T6 M  g3 ^% ~+ C
    ' p1 o5 l9 V6 Z7 v  K/ V# E
    还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...

    ; [3 q2 E; k! g4 {& I1 E. Z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 ^4 C. e" ^% z6 ?. {/ ]+ }4 j
    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。
    $ q, n2 e) ]* ]6 f. X" I. a# w! X
    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 09:093 s% i& w4 M, K2 A) j
    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 ...
    % n8 H1 [$ t( t* o* m! y% c
    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 23:12
    / {9 S+ w" f* `5 S% X- K据说中国钍资源够用两万年
    * {1 E- b: u& J! r$ h
    ' k$ v/ U; P) Q5 d
    各种说法都有。可能因为钍元素没啥用,勘探口的人不用心。8 g- h3 K5 p" Q2 ], R4 P! R

    + r- P. c+ Y" N, u现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。# z7 X+ B4 N% E) G' F2 }8 S. n8 u

    6 J( |  z* u0 j. l; Z& m4 z
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