钍基熔盐堆：中国核动力航母的关键词

晨枫

* o5 }# E. J( t2 `5 \6 h) X* Z
) b1 J# j0 L7 ?7 ^- O! v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。

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？
. o$ T* o4 E; f* e
# V+ O0 u. S6 c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。
( o/ C' r" x2 t  S0 q
还有人质疑：钍堆功率密度低，上舰的体积和重量太大。
5 M/ ^! p' O& {
( d+ p) }9 ?1 W% I7 b0 \这些都是有道理的质疑，但是还是有一个但是。

% ^" B& \/ f/ W0 }! T; A# G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。
& f, k' U* v& O8 s( 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。
+ d2 A/ U) P0 Q6 d" p9 }- m0 \
; C) P$ I2 D3 y& O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。

钍堆有熔盐堆和球床堆，现在的主流是熔盐堆。
& g/ K+ b" W" K/ R. I, G8 Y
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。


典型熔盐堆示意图
' I# P* ~5 D5 D- Z0 r
/ K, y3 Y( B6 Y; ~" r
' q  J: [8 j$ T中国熔盐堆示意图

8 \2 g& A8 D0 E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。

% ?- @; w& U1 Y  @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: b9 o( W& N0 P2 s5 W* j. i2 X
8 S' Z# N0 v2 S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。
" W3 s' B  q* |+ w
# @; C% B+ H  k9 [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。

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。

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。
! c" W0 g4 Z- d8 ^  v) }  }
; T% p+ L. C9 t% B! B  _/ L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。

9 E( d5 k  A9 p$ S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。
  n  D2 X  p- j6 C# I$ N: m
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。

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# Y% X0 }" n: r
$ o& S  ]* @+ ~9 ?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？
1 k7 B. @' ^7 W5 e1 n8 Q. D: Z. h
- }% z6 e' x& C& H8 A用到核动力航母的话，那就真是领先美国一代了。
6 Z; a; |! n9 ^* W( P9 q8 ^
7 O  [- c7 |9 O" g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。

数值分析

好啊，以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
* U5 s" j8 j8 I  x( v% c
" s, p0 E  \6 W; U0 M9 b% 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）。

晨枫

数值分析 发表于 2023-12-15 01:41
好啊，以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了

! w3 F& t: J* w1 u, j. h还可以考虑发展核动力补给舰，给航母海上加钍（ ...

海上加钍！你也太猛了，15-20年都不让回港！

五月

& {& ?3 z5 b3 i/ r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。

, S/ m6 Q) n3 d  [/ F* [) ^技术变成熟和降成本唯一的路径就是多多建造。

晨枫

五月 发表于 2023-12-15 09:09
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 ...

7 u0 ^0 M( p1 q5 v$ p  N( Z据说中国钍资源够用两万年

五月

晨枫 发表于 2023-12-15 23:12
6 r5 A- b' m, X- y7 q. C- d据说中国钍资源够用两万年

; m: p: `1 h' j; _4 W# Q( g
各种说法都有。可能因为钍元素没啥用，勘探口的人不用心。
0 i9 S8 L$ o. N: p
; Z3 s7 t: Q  C4 i% z现在钍可以用了，显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。
/ O. o2 g0 l, e5 `& Z
% j! {! A4 U0 ~  e( {