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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 $ S; S* }& ~$ r# \2 c
! T  o9 y7 v2 |3 t" j
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。
! R% u3 I. i% S) \( Z3 V
  X5 B9 Q/ [; V; A2 E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?
- I. Q( L2 S" H9 V; K/ Q" \/ }
$ U. D4 K6 R0 \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。3 k8 s+ p" }  Z# N" I

% O9 ^. y3 [! E" D7 w9 o% q还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。
! t' N! A2 X$ M; C6 {# B! p- Q1 @
, x: M& y% ^0 N0 O0 O这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。& D3 V" u: f( x# \1 ^
3 j' v0 ?% X+ I3 Q% ]2 z( b
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。% q+ [# l; h7 y7 X' ~
4 i+ t$ m  ]3 F; c0 O. J( U5 f* C: D
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。
! F  E# ~  N: ^5 s
+ q, z6 h6 r" C3 g9 A( J4 L" ?; |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。) `4 B4 a" B" j  b4 Z6 ?" s* r; u; b% }
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钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。! t9 W$ C- C- _: s6 @+ d* V

6 H  N& p( r/ e  H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。
( R1 [+ o8 ~/ j8 ^, x5 J& U& S
# w% O* I/ D5 Z8 \, a2 { 6 Z8 z2 y' \# d
典型熔盐堆示意图% j" k" p) }0 U5 k

' {, G0 N! O% s$ ]1 O
; T9 A% g* P; \/ a+ Z2 x中国熔盐堆示意图2 j% y8 W9 w$ X, L. D. Y0 Z. B- o

( q8 N1 h1 F  G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。
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/ r1 V  t! I! y, K) w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。" t# i. }. U0 n! a! ~3 R

! [  d! ~, _  _5 V/ {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。; B4 x- C6 j3 m9 X2 k+ \  b( c

& z5 l. ?* s4 [* t5 ]( |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。! J9 S. H  g, v* u' Z' B: I5 i

# ~! `( }  C4 Y6 r& [4 }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。
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4 q7 N: V" |3 y$ y# r" C% ?) c* @( k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。) S) K# L' [4 [& Y3 [2 i: g

: ^3 v) r+ \9 v: k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。* j8 @# W3 ?" O1 \

* K# f; g# M' b/ p4 F) k& }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。
* N5 f# w# M6 F% {+ S  R* y$ B. e& Z, A8 u! Q& I
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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0 f* j. B# V2 Z% T1 [# N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。
0 ^: Y" r2 d9 a# h9 @! w
- j" o4 z  d( g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?
4 Q6 v, \3 I' d7 }# C) ~
. _5 j0 E8 X$ ~7 u用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。
3 f+ s# I: |" |* j* D8 E
9 r6 P' D  L1 R2 }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

    5 天前
  • 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
    # \+ r$ D. s9 E
    6 Q+ R% y/ j3 D# t  u好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    % q3 B. n, G+ j3 u6 |5 O- R: w4 F2 N) _9 W0 U: g- ?3 {
    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. d; C( I, v( |4 u# C
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了9 f2 `6 z, S1 A- {2 W. k* [

    4 n( K5 r1 @, h1 D, L还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...
    ; S8 m+ _: ?) J0 \9 J1 \: r
    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
    / L# @$ Z) z" X' }+ f
    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。0 p1 q: V8 a) x! F! I. D
    8 J* t! k1 J9 _3 J1 L3 v
    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
    ( ^; c0 V& H* A! A' s2 r8 o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 ...
    # o1 `5 [8 D& r8 M7 E- D
    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
    7 X* Q! D) z$ ?  }6 N据说中国钍资源够用两万年

    $ m# w) m. w% t% v# o8 M& W
    2 b3 x' j8 H/ [+ z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 l* H6 r' n9 g, s7 E9 h( a- j2 J, L' f- C8 E
    现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。( D$ W& F& ^' v" G! i) M3 ]

    9 ~% C% O) o0 }$ l. j
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