关于钍堆上舰：再请T教授、沉宝兄和其他爱友指教

晨枫

  T9 T5 H1 G- r. F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。
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: m- \5 P/ P! o8 V; R  |# D9 S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。

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。

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。

2 f, ]1 `# d# H  D8 x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。

! [" c4 I" s7 L: f6 y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。
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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。


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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。

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。
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, w# z) I/ S! l4 ~7 U' {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。
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2 }, A+ H! e5 A2 q1 V3 u$ Q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。
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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。

! h9 b$ P7 G' k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。
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+ F1 Y* P" a. H7 q7 [) V% J第二个问题是钍232到铀233需要27天半衰期的问题。

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。
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% `, p: x5 D% }& |, x( Z1 ]1 }" d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。

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：
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四氟化铀+氟气 -> 六氟化铀

5 S8 ?: P. y! p% e1 N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。
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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。
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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：
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& f2 u# t: X/ ~; F2 s; I六氟化铀+氢气 -> 四氟化铀+氟化氢
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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。

6 N/ n( ^% t3 `) _) D0 x当然，氟化氢遇水就成为氢氟酸，这是已知最强酸之一（呃，说“之一”是怕打脸，还有一样强或者更强的酸吗？），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”。

7 N: F" P7 T1 `4 z! v1 L& {! ~! j% Z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
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，

几个观点：
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
5 J5 W! c7 y7 l) b& A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，
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几个观 ...

# T0 H- D9 ~5 f" Z& F  S+ u$ d$ e钠堆还在推进啊！我以为都转铅堆了。
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/ _# A% C" p1 R; V' T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
" y, Y% I; z% Y: v; G, }, J钠堆还在推进啊！我以为都转铅堆了。

  c/ @/ f: q# c! Y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 ...

6 T! I4 O) K1 Y7 `  W/ P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

' x: N; {- W) Y. W) }0 \2 U; f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。
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0 X* o9 y4 `+ m4 |1 B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
3 t7 C7 D9 }( Y$ ?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 ...

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
1 D. S2 K! ?. k$ ]8 j) _7 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 ...

( p( n  r- Z# T4 e* Z) M3 T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。
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* u) C" }3 T# n- z( {! ?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。

pcb

"氟化氢就是大名鼎鼎的氢氰酸"
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晨大这是嫌死得不够快？

晨枫

pcb 发表于 2025-12-1 08:23
"氟化氢就是大名鼎鼎的氢氰酸"
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8 a! v3 b+ _6 Z9 u: D! y晨大这是嫌死得不够快？

啊啊，这次死定了，赶紧悄悄改过来……多谢救命

怎这样呢

https://www.bilibili.com/video/B ... 09187574f77b63022f7
7 n1 g- k' k# ]: L: ?9 o3 q
这有一个不错的视频可以参考

晨枫

怎这样呢 发表于 2025-12-1 12:32
https://www.bilibili.com/video/BV1dgdSYyE8H/?spm_id_from=333.1387.search.video_card.click&vd_source= ...

妥妥的民科讲科学啊。
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采用冷却熔盐回路的理由竟然是一回路与二回路之间不能隔离放射性，需要二回路到三回路才能隔离。那压水堆的二回路为什么没有放射性？一回路是强放射性的哦。他对回路的理解也是错误的，难怪弄出个四回路来。那只是冷凝器，不是回路。
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工艺图上的步骤多，与设备占地庞大是两回事。这一看就是根本没有接触过化工的人在想象。有的设备一件就是老大，一座裂解炉可以接近国际饭店那么高大；有的设备三件串起来也不占多少地方，蒸汽系统的economizer就一间房间大小；怎么能一概而论呢？
4 Z7 }+ V7 a; p6 S
锂6问题我不懂，但那么显而易见的拦路虎不解决，武威那帮人不是在白耽误工夫？氚吸入人体有危害，但脱离剂量讲毒性都是耍流氓。

腐蚀从来不是“有”、“没有”的问题，从来就是速率控制的问题。“挡不住15年使用”，是多少壁厚在什么样的温度、压力、流量冲刷下？

* v1 z2 _; ]. E  t- i在中国，钍堆有明确的商用计划，T教授的那篇上海应用物理所的文章比这个视频靠谱多了。
# Y# X' w- D. n5 t0 i( ^) w$ u
他这个视频还流毒甚广，唉。

怎这样呢

晨枫 发表于 2025-12-2 03:11
妥妥的民科讲科学啊。

& k" v( K8 Y- g# s( w: F采用冷却熔盐回路的理由竟然是一回路与二回路之间不能隔离放射性，需要二回路到三 ...

纯个人理解哈，因为核燃料本身是液态，钍堆的整个一回路实际上可以理解为一个大号的反应堆，而二回路才对应压水堆的一回路，所以抛去这个二回路大致相当于沸水堆？

晨枫

怎这样呢 发表于 2025-12-1 14:32
纯个人理解哈，因为核燃料本身是液态，钍堆的整个一回路实际上可以理解为一个大号的反应堆，而二回路才对 ...

8 A" z- Q& g( P# b: l) G* `- w应该不是。钍堆一回路只有在堆芯这一块有链式反应，出了堆芯，中子源没了，轰击不起来，钍燃料本身是不会链式反应的，一离开堆芯就“熄火”了。铀被立刻分离走了，也不会延续反应。

再说，整个回路都在链式反应，这也太恐怖了，控制棒往哪里塞？无控的链式反应就是核爆炸啊。

怎这样呢

晨枫 发表于 2025-12-2 04:37
应该不是。钍堆一回路只有在堆芯这一块有链式反应，出了堆芯，中子源没了，轰击不起来，钍燃料本身是不会 ...

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, O, @; a' K+ C铀是在回路中缓慢衰变生成的，分离肯定得放在最后一步。所以我觉得少量裂变充斥在整个回路中，只是在堆芯以外无法自持而已。
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; K6 K8 s. T! V! q; f. S' Y. c前面我的意思是其他反应堆中核燃料都是固态，一回路中循环的仅仅是导热工质，而钍堆中核燃料本身在一回路中循环，放射性应该高了好几个数量级，所以才需要一个额外的回路来隔绝辐射了。

晨枫

怎这样呢 发表于 2025-12-1 15:31
% g: X  |; c  P: M! G铀是在回路中缓慢衰变生成的，分离肯定得放在最后一步。所以我觉得少量裂变充斥在整个回路中，只是在堆芯 ...

% W$ @1 z- o* T  p+ [- w/ r" Q; u我明白你的意思。但循环时间相对于半衰期可以忽略不计的话，堆芯外的铀233可以认为一生成就得到分离，回路里不存在有意义的裂变。不能自持的裂变也没有多少可怕吧？

对于熔盐堆来说，离开堆芯的燃料熔盐也就是传热介质，并不具有额外的放射性。这是我的理解，欢迎指正。

怎这样呢

晨枫 发表于 2025-12-2 05:54
" |8 c  A! ?- Z我明白你的意思。但循环时间相对于半衰期可以忽略不计的话，堆芯外的铀233可以认为一生成就得到分离，回 ...

- u5 P: _! B& N' B按照我的理解，钍堆依靠自身核反应产生U233作为核燃料，单位时间内生成的U233至少要满足自身的消耗，否则还得额外添加燃料，那就连基本的自持都做不到了。所以要么循环时间足够长，要么钍233的初始量足够多，总之回路中的裂变应该是少量持续进行中的。
! v* w( u$ r+ R5 }! x4 S
2 l  X! N: E% f5 P8 k+ Y你的第二点我没明白，钍核燃料和废料都是完全溶解在融盐中的，完全不存在分离一说。放射性虽然比不上堆芯，但是相比纯导热介质估计还是高了几个数量级的吧

晨枫

怎这样呢 发表于 2025-12-1 16:53
按照我的理解，钍堆依靠自身核反应产生U233作为核燃料，单位时间内生成的U233至少要满足自身的消耗，否则 ...

呃，看来我的正文白写了。

5 ?8 |( f# @4 r$ N是的，钍堆开始的时候需要靠外来的铀233或者235运作一段时间，以后就可以用自己产生的铀233了。回路中应该没有什么裂变，这正是钍堆的安全性所在。否则反应堆故障时，冷冻栓融化后，流入熔盐罐的燃料眼自己裂变，那不成脏弹了？

钍燃料是溶解在熔盐里的，四氟化铀也是溶解在熔盐里的，但加氟后变成六氟化铀，就会在反应温度下气化，也就是说，不再溶解在熔盐里了，这就可以分离了。

怎这样呢

晨枫 发表于 2025-12-2 08:54
2 r7 ]' x& q% l呃，看来我的正文白写了。

是的，钍堆开始的时候需要靠外来的铀233或者235运作一段时间，以后就可以用自 ...

, K; D; n: V# O7 ~; F) j正文里你也没写明白啊，或者没搞清楚咋回事。钍堆自我生产U233最大的瓶颈是从Pa233到U233 27天的半衰期，所以必然是一个缓慢而持续的过程，你一再强调U233分离有多容易有什么意义？更加可行的办法当然是在攒够一定浓度之后在某个环节通入氟一次性分离，收集纯化之后再注入堆芯。
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然后，为什么你会认为融盐离开了堆芯就没有放射性了？裂变产物比核燃料本身的放射性更强的吧，要不然哪来那么多核废料需要处理？