关于钍堆上舰：再请T教授、沉宝兄和其他爱友指教

晨枫

把@testjhy T教授、@沉宝 “沉宝”兄和其他爱友（呃，听起来有点油腻？）的指点和自己的理解汇总一下，欢迎各位继续点评指正。

中国航母核动力成月经话题了。个人认为，近期最可能的还是批量建造003的改进型：舰体适当拉长，解决1号弹射位与前升降机和2号弹射位与斜甲板冲突的问题。动力方面，需要就增加一点功率，如果电弹足够给力，损失一节两节可能也能接受。如果设计改动控制得好，可能航速损失低于一节两节，那就更没问题了。
2 _. S- u( f0 |& a
批量方面，可能再造至少3艘常规动力航母，发挥一点规模经济效应，更重要的是迅速形成战斗力，6艘航母就好用多了。干什么用，就发挥想象力吧，这里不多扯。

9 `5 @; {1 T, B, b+ l另一方面，近期上马核动力航母，只能是铀堆。中国核电发展很快，但核电铀堆与舰用铀堆是两路不同的技术，好比民航高涵道比涡扇与战斗机低涵道比涡扇是两回事一样。

铀堆的使用、维护麻烦一堆，未来有一天退役，无害化的问题更大。苏联核潜艇在冷战结束时大批报废，当年没钱、没心思管无害化问题，现在有害化的危险越来越大。中国不会做这种“拆烂污”的事，但什么铀堆的报废、无害化都是麻烦事，这一点不会改变。
- R. F0 e& f# z/ R5 c
9 Y$ A% f' e: o- d2 b* M钍堆现在还在初级阶段。目前的小试堆是2MWt（t指热功率，不是发电后的电功率），正在设计的是10MWt的中试堆，100MWe（e指电功率，这是能送入电网的功率了）什么时候落地还不知道，貌似国家规划也要到2035年。比照福特级，两座350MWt的铀堆，电功率200MWe。钍堆要达到这样的功率还要上舰，没有10-15年不大可能。
) Z% E& q9 \$ H* O4 p  O5 F
1 W5 p3 _& O8 `" y) H钍堆有两个问题。第一个问题是热交换。熔盐的工作温度高，压力低，这是好事。腐蚀性超强，这是坏事，燃料熔盐还带有强烈的放射性，这是坏上加坏。

# g& m1 Z3 z( ]! B在理论上，熔盐堆只需要两个回路，就像压水堆一样，一回路通过堆芯，带放射性，差别是核燃料的形式，铀堆是固体的燃料棒，与一回路水只有肌肤之亲，没有盐水之融，而钍堆是液体燃料，铀钍燃料溶解在熔盐中，但从传热角度来说，两者没有区别；二回路从一回路取热，不带放射性，驱动发电机。事实上，钠冷快堆就是这样的。


, z6 j0 M1 Q' I# ~' w0 F. d/ K
液态钠具有传热速率和热容量特别高的好处，但一怕冷却后凝固，二怕遇水爆炸。这两点熔盐其实也有，只是没有那么极端，爆炸也改成腐蚀。钠冷快堆有游泳池式设计和直接设计两个大路子，熔盐取代液态钠后，大体可以照搬设计。也就是说，可以双回路。差别是，在熔盐钍堆里，钍燃料由流动的熔盐携带进入和离去堆芯，堆芯里除了用作中子发生器的少量铀235，没有“分裂核心”（就是燃料棒），而增殖覆盖（绿色）直接溶解在循环的熔盐里。事实上，钍堆也是增殖堆，只是常规的增殖堆是把铀238吸收中子后增殖到钚239，而钍堆里是把钍232增殖到铀233。
. V8 P/ H9 Y+ {( p
7 _" {: }/ a' H' f4 Z但钠冷快堆大部分都停了，因为钠与水太八字不合了，几乎所有钠堆都有过漏水爆炸的问题。现在的重点转向铅冷，这解决了钠堆的很多问题，但带来不同的问题，这里不多扯。
# W% u# ?$ v7 e& J
当然熔盐也有特殊问题。高温熔盐能溶解金属表面的保护性氧化膜，使金属基底暴露出来并被氧化。镍基合金、特种不锈钢、陶瓷涂层的保护作用都不是绝对的。如果一切理想，单从隔离放射性来说，并无必要增加冷却熔盐回路。但考虑到实际的腐蚀和泄漏问题，这又是必要的，所以熔盐堆实际上采用三回路，在燃料熔盐回路和动力水回路之间，增加冷却熔盐回路。

2 o* _- s# J& T* Z! S$ m# b7 O2 O
2 c% N& L: M5 v5 f, u% b5 }, T  M) c
7 P1 W5 X/ H% u3 `* d4 q1 {燃料熔盐回路的温度高、压力低（接近常压），水回路的温度低（相对而言）、压力高。加上强腐蚀工质，这使得一回路换热器管壁的压力工作环境很不友好，绝对防漏很难做到。增加的冷却熔盐回路未必采用与燃料熔盐回路相同的熔盐，实际上采用对水和燃料熔盐都化学中性的专用冷却熔盐更好，降低微渗漏的危害。在工作压力上，可能也介于燃料回路和水回路之间，降低压力差，减少开裂和渗漏。

4 N* K0 a1 q  s4 F这是工程考虑，不是原理上的必须。在高压泵的轴承密封上有时也用类似思路的设计，用中等压力的“液封隔套”在轴承的高压液端和常压环境之间缓冲一下。

至于第三回路（相当于压水堆的二回路）是用水还是超临界二氧化碳，这就要看设计了，在理论上都可以。水也是可以超临界的。二氧化碳的化学性质与水截然不同，熔盐与二氧化碳接触会发生什么化学反应不大清楚，是否依然需要冷却熔盐回路现在还说不好，但腐蚀问题依然存在。二氧化碳在7.38MPa和31C就达到超临界，但热工循环的压力和温度会高得多。“超碳一号”示范机组的工作压力达到23MPa，与通常用水的火电系统的22MPa差不多，但超临界水回路的话，压力就高达31MPa以上了。从压力差的角度来看，超临界二氧化碳还是有问题，还是用冷却熔盐回路隔离一下比较有利。

三回路肯定增大系统体积和重量，但是否就此排除上舰可能，只有更加详细的工程设计才能确定。毕竟钍堆对防护壳和紧急冷却的要求大大降低，减重不是一点点。
3 {7 ~) b% C1 R! V6 @" O
第二个问题是钍232到铀233需要27天半衰期的问题。
- ^; h2 [4 B2 G6 A1 E
钍堆以熔盐堆为主。也就是说，钍燃料由熔盐携带，在循环中进入堆芯，受到中子轰击，在两次β衰变后生成铀-233，这才是裂变材料，但需要至少27天的半衰期。成为铀233后，就相对稳定了，半衰期近16万年，实际上就是地老天荒了。
2 T$ g/ X4 r9 B# B9 J. ^& ]
" [0 {. D) y$ k
2 H3 i9 I8 J. N" ~* e' K
5 \5 O* ~* y: g: T# _这可以理解为“现在投入的钍燃料需要27天后才能生成铀233，这才是有用的裂变燃料”。这段时间在陆地核电站不是大问题，只要保持长期稳定运行就行，但对于需要随时增减功率的舰用堆很不方便。
, k8 B# U; L: f; r) f. E' f& U
" `& n5 G+ d/ K  u: O铀可以溶解与氟化物熔盐中的四氟化铀的形式存在，沸点超过1400℃，所以在熔盐里稳定，不会“擅自”气化。四氟化铀通入氟气：
2 Q# r! N4 n& z4 {, o4 M. a7 Q. k
6 t3 a3 j( S9 S! u" q3 p" r四氟化铀+氟气 -> 六氟化铀
% X1 ]1 W" x3 p
9 y0 f9 F2 T6 R4 n6 v六氟化铀沸点为56.5℃，三相点温度约64.5～64.8℃，所以常温常压下是固态直接气化（升华）。换句话说，在熔盐堆的工作温度下，六氟化铀会以气体的形式与其它材料分离。

换句话说，在燃料熔盐回路里注入氟气，将四氟化铀转化为六氟化铀，在进入堆芯受热时，六氟化铀气化，脱离燃料熔盐流，这就是在线分离的基础。

% M, N1 ?) u5 o/ M  I2 X( d' q+ M9 z回收后的六氟化铀蒸气导入小罐（必须低于临界质量，否则就当场现颜色了），冷却后成为固体，即可长期保存。如前所述，铀233的半衰期长达16万年，对人类来说，理论上几辈子都不用担忧“过期”的问题。需要用的时候，把存放的六氟化铀加热气化，再通入氢气：
) R3 `( T, M; i0 T2 @
六氟化铀+氢气 -> 四氟化铀+氟化氢
) s( q/ J: Y3 W) I! d+ |* }7 W6 H
也就是说，钍堆有卖炭翁和柴禾妞两个角色。从钍232增殖为铀233是卖炭翁的角色，把木头烧成炭备用；从铀233裂变发电是柴禾妞的角色，用炭生活做饭。钍堆凑巧是双体合一了。在连续运行中，一面从钍232生产铀233，并以六氟化铀的形式存放起来；在需要增加反应堆出力的时候，把六氟化铀转化为四氟化铀再添加到燃料熔盐回路里，就好比给反应堆加油门了。
: }; a. L& t$ K! T9 }9 `6 s0 X
当然，氟化氢就是大名鼎鼎的氢氰酸，这是已知最强的酸，腐蚀性惊人。加上熔盐本身的腐蚀性，这是钍堆最大的工程挑战。

据说江南厂设计的钍堆集装箱船上，钍堆系统需要每15-20年停船翻修，才能在抗腐蚀方面“再管15-20年”。
( F# ~# I" U$ t; N  _; g
/ t! c) a+ a+ L6 t但最重要的是：钍堆上舰没有理论上的不可行性，在工程上，江南厂也证明了原理可行性，尽管现在还没有物理打通整个技术路线。

鳕鱼邪恶

网传019将是核能。

晨枫

鳕鱼邪恶 发表于 2025-11-29 18:35
% f  z: \0 q- F+ P- b1 L6 u网传019将是核能。

我认为可能性不超过10%

testjhy

回答晨大的问题心里特虚，，晨大知识面广，三下二下就成专家级了，我只是入门级的，

) n+ C( W, z- T- \9 ^' Y6 g* K几个观点：
# {& f6 G+ p, w1 i$ A3 `1）不用为27天的半衰期着急，民用堆不运行五年以上不会开建舰用钍堆。所以有足够的铀233储备为启动钍铀循环服务。
2)钠堆停了？我上半年的消息还是在稳步推进呢，这个方面我一直有点小自豪，离开母校(1982年)前正在建中国第一个钠回路，也算本专业为国家原始创新起步，这个钠回路做了大量的实验。第一个试验堆又是我工作过的401，@北京阿新，现在的示范堆在福建霞浦，600MWe，已经基本建成。有两个矛盾消息，一个说是核安全局验收找出一大堆问题，本来2023年并网发电到现在没有实现。另一个消息说同类型的第二个堆已经开工，如果说前一个消息存在致命问题，第二个堆就不会开工的。
3)三回路我还是有点怀疑，军用堆，强调效率和空间适用，牺牲一定的安全性，如果三回路，反而效率不如民用的钍堆，传热损失势必设计得比民用堆更大，民用堆加强监控和安全布局下我估计不一定用三回路。
4)我同意您的观点，第一个核动力航空母舰用铀堆。早在疫情前若干年，同学们在一起聊天，搞核的同学就在讨论船用压水堆，那时主要用于象南海岛礁的能源问题，我相信从这条路出发比钍堆要靠谱得多。

晨枫

testjhy 发表于 2025-11-29 21:13
2 F4 K8 \, D, V8 n回答晨大的问题心里特虚，，晨大知识面广，三下二下就成专家级了，我只是入门级的，

  Y8 K' w$ ^  ]2 h6 B几个观 ...

$ h9 A$ x* u2 Q7 T; m钠堆还在推进啊！我以为都转铅堆了。
# z3 ^8 w. m9 X
7 ], q1 s; v) s% U我也反复查了好几个地方，都明确说熔盐堆用三回路，但我觉得像钠堆那样双回路只要腐蚀能解决，应该也行，但这个腐蚀看来不大好解决。

T教授有武威钍堆的消息吗？那是双回路还是三回路？

testjhy

晨枫 发表于 2025-11-30 12:08
钠堆还在推进啊！我以为都转铅堆了。
; ^/ R2 l4 J. l6 [% \; G% M# w
我也反复查了好几个地方，都明确说熔盐堆用三回路，但我觉得像钠堆 ...

确实是三回路，找到原始出处了：钍基熔盐堆核能系统

晨枫

testjhy 发表于 2025-11-30 07:19
确实是三回路，找到原始出处了：钍基熔盐堆核能系统

多谢T教授，这篇综述快10年了，但还是茅塞顿开。可惜只提到用三回路，没说为什么不能双回路。提到燃料盐和冷却盐，但没有具体说两种盐什么差别。可能涉及到具体技术机密了。
6 T/ c/ G" P/ p+ G) @5 V
1 `! [* V/ R- ]; m还是没有看懂为什么固体燃料熔盐堆主打制氢、液体燃料熔盐堆主打发电。以为前者是热裂解直接制氢，结果还是电解制氢，只是高温电解。那为什么不能用液态堆一手包办呢？固态堆应该也能发电？

testjhy

晨枫 发表于 2025-12-1 01:31
* _: s  ?& ?9 A  E: a" o' z多谢T教授，这篇综述快10年了，但还是茅塞顿开。可惜只提到用三回路，没说为什么不能双回路。提到燃料盐 ...

! s, O& d: H+ G' ^2 K7 P( ?/ `$ X3 b当年可能还没有突破防腐材料，没精力找回资料了，记得前一阵子看到一个材料，近期的实验表明，什么材料在钍基熔盐中每年腐蚀多少微米，这个印象深刻，如果这类实验做扎实，是不是可能二回路，我有点坚持二回路就是看到这个材料。

晨枫

testjhy 发表于 2025-11-30 17:17
当年可能还没有突破防腐材料，没精力找回资料了，记得前一阵子看到一个材料，近期的实验表明，什么材料在 ...

  z. \8 @  B7 h同感。这些三回路的资料都是过去的，上海应用物理所用的图是橡树林的设计，那是50年前的啦。
0 H2 B" v! G3 w3 A  P+ Y" I
我也认为从放射性隔离角度来说，没有理由需要三回路。双回路可是简化了好多呢。