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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
( g; q) G0 a1 W7 l$ z, b  I& J% Z% @/ O( b1 C
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。
: d! U% U. t0 S# I3 K5 e# e# A4 A0 G& R5 q3 O9 a( R& u# [. S7 |
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?+ ?2 H& X, T' m! i" C
& Q) K  `! B2 @- O
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 N! M, U: i$ L5 `: D. p. O( W
8 W( p* M6 v! k0 s+ ^3 K
还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。% H% [6 H+ U0 Y( i, q

) v6 F  Y% H5 c( t5 c# Q4 a2 Q+ U1 F+ K这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。8 n) G2 a7 S/ p* R

- l" O1 i! y4 M, O) N7 [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。
4 o+ r/ H9 _1 Z$ \& i6 w9 Y- ?" j  S0 a" X2 w( N4 N
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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4 E) y9 c! c( o! m) Y1 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。
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% t9 b# y; ]* V! W3 Q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。$ J0 V$ g& |( I- o6 j

* k+ I3 p8 X) Z+ y8 E% l9 H
) k0 M* V0 B6 S2 B& u0 ?& k; X典型熔盐堆示意图& d$ N6 J# i7 K

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% G( w: l" y( l# ^" Q" M2 E  j中国熔盐堆示意图! a& f% T7 I; |
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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。
' A( P# l/ F: k9 \$ c
" ~2 P6 V) ?" m3 `; Q4 B3 A2 b5 a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。
7 e3 q4 d1 f/ Z! p% X. h6 B2 h. }: u# V0 F
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。, i% T6 m" O: k

% Z; j4 v) A* p' U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。9 f2 G  Z6 ~( T( _1 f

) Z- P# l8 S* p0 G6 U0 b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。, U4 {0 n% X0 m. I& W( H# [% r9 ]
3 @6 x- Z. {- D: U" N
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。2 D3 r# J- _3 H. `9 Y0 D

& E$ S. N" C' O1 p5 X; R6 X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。
  }0 q* ^: I) W/ O6 N
7 r, S" }2 e  i0 v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。
+ H8 D2 |4 d1 A& Z1 y& b1 r  r* o% i* E" s- v
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。
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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。, `! |# u  V) a1 Y, G  u3 \( m

+ [3 e8 n) Q1 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?
" \3 l4 B/ ]9 ~3 O  N6 }' B, {# S( g' E5 o! c3 B) L4 f9 e
用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。
4 L2 t. @. ~4 l- p/ K5 i: b. \' z! `* ~1 }6 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

    2025-7-18 08:55
  • 签到天数: 1934 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
    & z5 O  l5 _( A) |/ H; M8 D2 \- k2 a' C, \# ?0 @2 Q3 ]
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了' @& u9 I/ C6 z5 ]5 R
    + h6 l9 J- o* Y. r( s
    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* \, G  J; m9 ?7 N% N
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    4 w$ N# i4 z0 j" m  r8 F8 Q9 a) H) K' |5 t
    还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...

    , r; M! x5 U' ~9 p+ t# f6 y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
    , F/ [4 Z2 ]) Z. W0 K
    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。
    . t3 H* W% L9 b  ~) F0 E3 W
      m, K( x! ~8 K8 m1 ^6 M! _: 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 09:09& p  E- N* E; u- {4 z7 \. y4 S
    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 ...
    ( I9 D* Z2 u9 p1 s
    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
    " L# j# }- g* V. v& q" t% W, p1 u据说中国钍资源够用两万年

    ! O* ]& n* _0 X5 }5 i- _' }/ l! H, {6 B
    各种说法都有。可能因为钍元素没啥用,勘探口的人不用心。
    6 X% ]6 t6 Z5 G. @. s& V2 s* M/ U4 m" X. d
    现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。2 J  A. a; T, \3 b
    , L9 d) L' j* c* |1 l$ ?8 l
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