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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 9 Q$ c/ G0 C/ ~9 T' V2 @, O2 {3 N

2 D$ b9 v4 u/ @( E9 m# _/ @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。" C: o% E$ }! B, [
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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?% J( r0 \* [2 q2 u) Q1 Q- f

; Y' e& t0 W3 [- |' N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。. a+ L1 D, s& V/ I9 C
5 s# W7 T7 \- }
还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。
4 S/ Q' d# [) L3 A: N/ ^
5 y" w& \, G, b" `, R这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。
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& M8 G2 z" y$ f) X* B6 f& _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。4 ]0 B0 n% A( L$ ^4 P: |: ^
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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。; J+ j3 z0 {* s/ ?/ k% w
1 S0 D  w  ?3 w
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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1 o  ^- ^* N/ b/ t钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。
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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
3 Q) H$ d6 q: l# h. ~
' k9 u1 H* }  e* M& [* I + c; Z( p4 s! |7 M+ L: I, u
中国熔盐堆示意图
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: B2 `7 O$ C8 O0 G  o. I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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; _3 y. m& E5 {$ 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。( i# `' C3 O; X9 s" R8 M, s" Q9 |

" L' V* l4 @) Q6 |3 {  J9 r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。# K$ _! W0 m6 g5 X8 j
) Q6 [, o! F% w+ v
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。) X, O, S8 k  N) v; ^% A
' E& o, q: P9 d. r' ~
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。
) u$ O# z/ B7 i1 L" Q1 B1 t2 `8 ?8 Z0 B0 d
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。3 j1 t: ~7 ~' W: ~3 t  X4 l

7 E5 I5 d" c& Q  S  \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。& d" ?: w5 d# @$ e. N: j

6 y" O" t9 W4 U0 F- P- ]& I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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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。# \5 h3 n8 }. g

& \  _7 s; o9 v- @( T' B. O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。
( W. K" s% f8 q1 C9 v
5 k% B. t+ b5 Y7 ?9 K; n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?# T8 k7 Q$ ^2 \8 y! h* z
1 _1 a& c4 w; Z, i) u
用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。
3 w; C0 F! A4 f5 G8 ?! L. a- _0 ~9 l) C( O5 v# 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。

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  • TA的每日心情

    昨天 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 ) a9 c" @6 O# e- g3 c0 L# [

    ' Q( ?) C4 V( {% }  N9 S4 q好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了9 A7 D3 w4 H5 ~7 C4 V* k, K9 i

    : E/ v2 ^+ t5 g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 01:413 q1 g5 ?1 M4 N6 l3 ^
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    ! }: \& h. W& M( m6 m0 q2 l) o6 _) I6 T; a7 y
    还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...
    5 C2 m6 a  q' f
    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
    2 W  _, q( Y. X7 v; 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聚变所谓的无限能源了。
    ) b8 z. H3 P4 I! B3 l6 h1 u
    " D9 c- V9 T2 m% y- x9 ~5 ^) T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 09:090 u3 J9 w2 u, ]+ ]: w
    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 ...
    6 @  q- t  p( |2 R) }0 c
    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
    ( |+ o9 E* [/ n; z1 c! y1 ~4 `7 e据说中国钍资源够用两万年
    ! q0 }4 [) N  X" \  L$ e9 J

    + }' j/ M: B# T, H3 X各种说法都有。可能因为钍元素没啥用,勘探口的人不用心。, `- m+ `" `# \0 |
    ! \5 {( k1 [/ |' h" Q& ^
    现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。
    9 [* x- n! Q/ l0 @
    7 N5 e6 S) E; n6 W# c
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