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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。5 H; j* X+ y$ R
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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？! x n. m1 S7 O1 p% Z( g; O: B
4 @* M9 s. F y. e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。9 s0 d- `, O4 I3 M6 d* y) f! S
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还有人质疑：钍堆功率密度低，上舰的体积和重量太大。
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0 \: M4 G' Z: C* T( U& ?" Q- q这些都是有道理的质疑，但是还是有一个但是。* s# m+ f/ r% ], ]; Y) t
) U# m- t. D' @. d( u5 {. X3 @) }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。$ q4 B9 s& P7 v& ?* s
2 ?- J# N8 W" v. l( ^2 M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。! z/ v- {1 d9 V) N+ W
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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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7 s6 k) }- _& ?, ^0 b钍堆有熔盐堆和球床堆，现在的主流是熔盐堆。" `2 R' \6 l( m
. R; N. t& ^% j v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。- R' j6 B5 ^' ~) V: e( N7 x
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9 H) U) }- r' P" P典型熔盐堆示意图
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中国熔盐堆示意图0 s5 r5 Y2 ?3 @: ?- p$ t- Q( M9 g, {& }
! W8 Q7 M" X6 X0 v3 v5 X* d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。$ s) s4 \ ?7 X$ O
$ D6 l% }# o9 ]: {; q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 K8 z R4 G K
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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。2 B7 x. d W9 J0 y
+ x! N; E$ i( Q7 R. { b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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9 L, w2 N0 n: h6 r) l% w# w2 J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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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。
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; Z% S& W" \; P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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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 D e' _) n* K$ _5 t5 p
& H4 S' Q9 h" B7 C$ Z1 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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* \) j* u5 ?- [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。9 ]" P, I4 l8 t! h
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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？+ u* X% i( D' M6 B* y* L, \0 W
2 s0 H$ i, X9 B用到核动力航母的话，那就真是领先美国一代了。
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' D W8 x( P+ y Q; u( {8 l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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发表于 2023-12-15 15:41:36
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