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标题: 钍基熔盐堆：中国核动力航母的关键词 [打印本页]
作者: 晨枫    时间: 2023-12-15 14:24
标题: 钍基熔盐堆：中国核动力航母的关键词
本帖最后由 晨枫 于 2023-12-15 08:15 编辑
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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。- v. @7 K% A/ ]

2 K) `. w' s1 H/ n; M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？& r3 w6 j, c# H9 Q1 J( U

# ~' v* W3 Z( n( Y! G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。
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' r1 p6 T! B# k% a还有人质疑：钍堆功率密度低，上舰的体积和重量太大。' C* e( j- A6 q! f

6 X% k! W/ G9 v  A, c这些都是有道理的质疑，但是还是有一个但是。9 Z% K6 E8 Z4 ?6 _7 S6 `# _8 V

  D8 a  x# q/ [, x* u3 q# A6 z1 F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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2 h* H$ [7 d- x( y7 |4 f+ Z9 f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。
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& r' c% F, Z. p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。- d/ T( n& Q8 i' X- O) w: |! B

* V; f8 T4 @& L; l6 X) l  ~钍堆有熔盐堆和球床堆，现在的主流是熔盐堆。4 f$ ^& @7 s7 E! Z) v7 {
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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。# e* A# T: a2 ^4 ^/ h+ S
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/ ~, u, e; b! X/ W" u! H典型熔盐堆示意图/ L$ W! E! h/ }
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; W4 K3 m$ K! P& k中国熔盐堆示意图
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( u; Z7 F1 A$ H, r. P6 x* P/ D9 {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。6 L; Q! W0 P. V: B8 P5 i3 T
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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。% d4 ?/ X- h+ d0 f) E
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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。
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( p, W5 O5 V5 F7 I$ 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。( Q, \* f9 f! f0 P1 m
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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。, d) [$ x* }- M" O0 j- v8 s: E
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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。
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4 ^! V  P( i# A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。
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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。+ S: M! A& p8 i4 {$ T! P
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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。. Z' Y' Y! c6 t' Q8 i7 u
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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。( m. Z5 }* ^5 L& M' G

! }8 d4 d9 a- 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？: f& m3 N$ V) t! s! |' U
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用到核动力航母的话，那就真是领先美国一代了。1 K! Q6 N! s8 w8 X: b5 `

5 B$ l8 Q: v# |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。
作者: 数值分析    时间: 2023-12-15 15:41
本帖最后由 数值分析 于 2023-12-15 15:42 编辑 , i: @. P6 H7 d0 V

; W$ k6 R! B8 i" E, p0 M好啊，以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了7 ^# X# h; B0 O% Z$ a: p3 T

( t. I, x5 C8 n- T/ I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）。
作者: 晨枫    时间: 2023-12-15 22:05
数值分析 发表于 2023-12-15 01:41. U! T' L! @  ?  D2 ^0 D$ ?
好啊，以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
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还可以考虑发展核动力补给舰，给航母海上加钍（ ...

8 @' Q) C. {0 i  t. P% Z海上加钍！你也太猛了，15-20年都不让回港！
作者: 五月    时间: 2023-12-15 23:09

+ F7 h+ R& Z7 D0 r5 d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。+ U3 ^( c# J3 v

9 t2 W# o7 I- a3 u技术变成熟和降成本唯一的路径就是多多建造。
作者: 晨枫    时间: 2023-12-15 23:12
五月 发表于 2023-12-15 09:09; }# ~# v% B" }- i& F, g( _0 Z
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 ...

2 {" n7 S5 B0 j# o  l据说中国钍资源够用两万年
作者: 五月    时间: 2023-12-15 23:15
晨枫 发表于 2023-12-15 23:12
7 Y9 ^1 s3 C' B% x# q( d4 |( v! ?! h据说中国钍资源够用两万年
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各种说法都有。可能因为钍元素没啥用，勘探口的人不用心。  D, l# ]/ Q: v
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现在钍可以用了，显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。
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