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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
: d/ }' l. n( N+ l2 q6 S* R' V: Q' M% F/ ?
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。9 `' W; `. L% w6 h

. Q6 b, `% n7 Z9 P5 `$ K/ B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?' ?6 j6 r# Y0 d

9 p0 D, _# ]2 l( C; _. {9 ?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。
" t0 X( d$ p0 z9 ?+ C, K& P
/ S2 w: _$ R8 d$ v) t+ U: P, {还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。
8 n5 S/ y/ E* S3 h& f( `
/ M0 y1 _  F! j8 X- u这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。& t* v! p/ w3 L( t5 T

' R) A/ M( E4 T$ z& O2 x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。
8 Q( `$ X( t  f$ _+ f% R- }4 S( x, m2 k) ?; |. D1 Z! q8 s
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。- `. l3 a2 b& B# b

" P" ~( |- T: i" A' ?3 |; D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。4 y' V$ |' R. q8 j
" s# [7 ~- d, P3 T2 t, a# j6 G
钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。
( Q/ d* K$ S0 ?
, ^7 {/ n3 g, g" ^+ b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。$ k$ u2 u4 s) C$ D7 {( @

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典型熔盐堆示意图) ^. F0 ]% U* l1 C

- F$ B- U. i8 x9 S; u 5 F; P) w3 u8 t* R. i' t' y) G
中国熔盐堆示意图
- O7 {# ^4 c1 F$ ^+ m: ?! v
; z, {1 c* I* b: q* q2 t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。# b$ s6 W' o7 W
* Z! f3 L% Y  l' V' h
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。7 z6 ~* g+ j  v+ v5 M- x. W9 D) _9 I9 K2 J

. J/ i" S" _; @( C+ @4 P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。
, r1 y) R3 K4 b) Y: H$ u
9 y8 r; A& v  w/ q2 G7 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。
0 N3 L" t& G2 @3 i. j1 }3 |. ~' z
1 y( o% ^6 L- Q) A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' J- H. I+ X5 K6 B1 u. U
- w; K) ^: @% M7 W8 v6 N8 A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。' u* p( Y: `' m) i
$ B" B  }* O9 J' E" [' a1 b& I" 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。: t6 v9 J3 K- }8 f" i
8 M. z0 ?- i4 M! u9 [1 ~
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" w9 e* ^9 u9 }) N
; V% C% R; \: m; [4 ^& p
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。9 n* n0 P% I% `3 I
$ [: H9 M4 a. u- q- P
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 z! f) X6 J8 R. W, O# n% L6 F* R# c( ^

! @# y8 N9 n" G0 h- T) g$ V& t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?
, o" j9 S+ b' F# ?# s! r" T' p+ |
用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。% D: y7 R' ^% f0 \, x* V. s- \; f
! S( i( l2 r- n# m9 |' ?
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
    开心
    3 天前
  • 签到天数: 1930 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 3 x2 X4 s2 j3 p* _/ B

    ( v+ W; d1 u9 i5 g3 b/ K! j: I3 c3 W好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    & o! _* Y1 V2 v/ b; B  ]" p2 O* s
    2 h0 p% t% E7 p( Z  W% X/ ^4 J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 01:41
    5 r; N: {6 K4 G- a好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    2 f1 N( I1 [# r# [' b/ @3 v
    . l0 m3 w  D, U还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...
    $ K/ \- F( s, I: t) F# R
    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
    & N! G4 T1 N% ~. c. c% `3 h' J' C
    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。
    2 K4 z) w! I" `9 H" }
    , `6 i* B/ D4 h: X: Q9 i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 09:09
      i$ R" \8 i4 Z( X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 ...
    - m  [+ X$ H# b! K& b
    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
    + r4 w+ v$ ]$ m3 t4 v据说中国钍资源够用两万年

    3 ?* [2 p# m$ f8 r
    * K; x$ b0 _, u2 B各种说法都有。可能因为钍元素没啥用,勘探口的人不用心。
    # N# R9 u/ U; \$ A1 x  Z& P! M: x# u2 q9 D! S& }) k9 i: U
    现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。
    : |/ u/ o  ]# i8 D
    ; C, ]# ]  \6 M  C# p. ~
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