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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 ; j6 o/ Z$ L" ~; G6 S3 [
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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。
0 E2 ~5 I1 S' t  X- z
& V# B* {  I; e9 q0 o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?
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6 ^* O6 o4 {4 |1 d+ C* x7 H% ~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。
  n& }2 ~- ^% h% r8 j
$ u) w) {" T' F  E还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。5 @4 q6 {% I2 t. c6 L

, i* G. z! W. _( [3 \7 ^) x这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。
4 e" w+ a) e% @5 [& b
- p3 k$ z$ S7 }# Q) P, H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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- E9 A8 y: @" d1 J# \5 s% O( u) A+ K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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1 o- t' d/ {# {% Q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。$ L7 H: _7 |' n$ q- V
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钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。
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# z8 F) b9 f  U' d+ k% C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。% ]8 P7 Q& P+ f) i6 Z5 v
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典型熔盐堆示意图: U- e& G3 Y, `9 X* ^+ _& l9 L

* o! a5 d9 L' Y$ P. N2 Q( Q  \) [1 t# y
% G! \1 {$ U  ]6 e5 }中国熔盐堆示意图
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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。, l, \1 Q( A$ ~7 I  u- W

3 X0 V- ?" o% _! e" ?& E! L8 T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。6 }% G2 h1 V) c! r3 e1 m& w3 r
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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。/ f  b) S) c3 p# Z0 o* o6 _3 B

. A8 W' L5 X* G, L% t& 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。
# z) B  F" m7 c! C2 z4 J4 N5 H8 ?* p" ~
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。1 x  K. g! w' W+ W/ Q/ a1 E
) H% b; o/ f0 C# N# X
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。" B" J. n* _& m5 `9 N/ c  v- `

8 o% _+ ?/ u2 U5 s6 b. w# ^# o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。7 ]* R- I4 d1 R; C% e& d: E- n

7 K. F4 t& X3 d# o$ ~, l7 M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。
4 H! [9 P, h$ [& X% q! A! [8 }. r# O' h% j. U% W* A
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。
' }) S% M  J$ X* S4 G* I( r2 W6 N; M
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?
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7 D  B9 f! w- Q, |0 q# b用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。& P3 s2 g; U; G
2 K! w# B* j, ~5 N8 i; \, _& Z
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
    9 y" w! U$ l8 r6 S
    4 T" ~6 E3 x  g+ a$ D好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了2 v! ^5 {( Y& F8 ]! K2 t; a

    : @# d* I7 v- I+ X8 w5 y) |  V" W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
      R) W) |/ t, I; H  Z) F好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    , U1 X# e/ D6 Q& e: L! Y  ]+ [' m' @$ c8 Z
    还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...
    4 d4 o" O# V/ W
    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
    ) S  m7 L: i2 ?( a5 X* 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。
    . y3 s+ [) }) {, O( M, y
    ) E0 H5 h! D5 Q1 |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 09:096 I/ v3 H+ _8 w3 a8 n9 `# G, 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 ...

    ' m9 I# _2 G8 k: f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 W, i% y5 r$ A据说中国钍资源够用两万年
    ) }1 x: ?: K( C' S# ~; A: T" e0 _

    " t, r7 ~# U: e$ J9 ]" q' o, D+ ]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 \: C7 g5 Q3 }, z9 C
    8 Y& W- b, y$ i1 j* X* W5 a
    现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。
    4 |% L* @' z( C( F; q3 c* |, f2 w" _) u0 P; g; U1 V
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