钍基熔盐堆：中国核动力航母的关键词

晨枫

/ A& d8 D# P8 j( J+ q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。
- Y- P. d- k. P7 n8 T9 T7 G
( \, x# 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？
7 D3 i4 a' G4 R" X- G) V: W
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。

还有人质疑：钍堆功率密度低，上舰的体积和重量太大。
! a0 L: h" m: z1 U- N
这些都是有道理的质疑，但是还是有一个但是。

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。

, W0 q2 R( T; v9 @7 a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。
1 N5 \6 k3 |8 p* N' i5 l
3 m9 N0 I3 q- Z' s0 k! r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。
9 h, F7 Z, P2 K9 E& g
& F4 B. h3 o- x6 M4 N) A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。

* S; N' x! }* H
7 ^! @8 ~" S$ t; _, p; ^典型熔盐堆示意图

) V  G! m, L2 H( ^5 _" e
中国熔盐堆示意图

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。

: X6 h. p0 e+ r' a* h$ i2 c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。
% ?$ D# A& i* m  @+ ^. S( Q
6 x' t. x1 h9 E  z, T. {: a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。
. ~* \$ i! R  o3 `  ~; f: `- M
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。

$ C* D; _) `5 F# I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。

3 b& D, X* a/ `* u1 X1 i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。
# x+ k) l9 C+ T$ }
4 c7 e7 Q$ ~( J2 D5 b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。
) D: R- `/ ~9 t8 ?# v' ?& w
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。
4 b5 K, `2 i8 G2 F: A- X
  J0 i) p8 }8 v- F# c: W& N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- q/ }& Q9 G7 r4 C$ e1 c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？

6 ^; b$ A9 ~6 U# G( H2 I) R9 F用到核动力航母的话，那就真是领先美国一代了。

" ?2 F4 D9 Q( j( A/ v7 v# 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。

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
2 Q6 ?$ V0 o3 K7 h8 P. S
0 _6 k% Y/ |" c8 Y$ d. r2 @: O* r+ 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）。

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
! Y# R- l; W8 S& h, F$ y2 ?4 o" X3 X
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

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。
) h$ l4 C9 e$ |/ P
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
$ Y$ s; \# C# H9 F" E- 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 ...

8 m- F: Y* r+ V! X3 L据说中国钍资源够用两万年

五月

晨枫 发表于 2023-12-15 23:12
) A9 O0 v! Y7 ^: }据说中国钍资源够用两万年

5 y- r/ l( l1 P( E" L各种说法都有。可能因为钍元素没啥用，勘探口的人不用心。

9 q; ~) R* @) [6 U" p现在钍可以用了，显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。