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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。 M7 A. Z, z8 [7 j
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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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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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5 b: O6 X+ A+ ?$ }+ k还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。8 b1 O" ]. ~8 M" O% W$ K. l
/ J; G' X6 r4 V, i# p5 _这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。
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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。! p& s5 p9 X- V4 f9 K2 k2 D
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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 E8 E. u! q2 i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。- G9 N, K1 j# A) z( t* T
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钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。$ _) r- A. V" @+ z$ Q0 x% m
% |# i$ g& R: j: U' m2 P% l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。
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典型熔盐堆示意图
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6 H) Y7 z1 c' g( q% k& |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。9 T. {3 L) F% A4 ]1 c# K8 M
" e: H' c) i& \) |3 n: O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。. h8 g9 ^, [$ ?! Z+ u
: J3 _2 K& g0 a- H+ H. X7 w% u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。4 m4 [1 M- b0 F u! [* s: l" U
( Q: S) b' @; \4 w" A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。
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8 p0 A0 e! K. D1 m5 I& j, H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。; P& M4 N5 L1 ?/ \' G; c6 P
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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。9 f3 p2 z% i0 Q; e! G
% J# z4 p7 f0 w2 D5 e. {5 b4 r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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) g; s; K) g4 Y T2 u* H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。
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6 I0 ~: `8 K3 C$ O% N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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- }! ]) C" c7 U0 S4 ]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。
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4 U: n: ]1 a+ S+ I! k7 p/ k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?" _0 u7 {% q0 G! q3 ?
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用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。
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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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