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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 3 e: V4 A8 t7 N+ {
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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 ]/ y; M5 I- l* k& |6 @# ^6 d' c" n1 h3 T" c
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?
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  [; D& V2 h1 S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。4 ^3 u1 E+ ?$ y' ~( W

5 o# s+ {% E+ p% ~+ \. p9 L4 e( H, Q# D# \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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2 Y& Q" p* s- `: n5 A这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。9 W3 p3 e8 W0 n* R! W+ X- `* r! s

3 H$ z, u! a  J9 J7 {9 D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。
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/ Z0 a' P. k% D! w/ s! i4 D9 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。7 j0 P5 E! i7 ]1 M( V" Y  L5 R
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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。( }0 W; }( n. F# R2 b
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钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。
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1 \5 B2 ^5 _! e3 d% W6 K- f; Y% 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。
  t5 [; N6 k) [$ r# T6 k# k) x& ^  d' @6 I% j: b

7 m2 b6 g! X0 z. `# w典型熔盐堆示意图
) A1 L  C; e, ], K3 ~/ b% F' U' r' Z$ I" y

3 v+ x* v, h2 n& @中国熔盐堆示意图
- T$ z5 C- r& {6 o* h+ D4 m: B3 h9 G$ ^% U& Z6 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。
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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。* E" a: }" S/ T4 i8 d5 n

- W' A3 E9 j# f% l* w: b9 e. U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。
+ q& X0 J5 [# r) L+ u& f- V
' o# t, `5 R9 `, y3 [0 w' d5 u) @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。5 R+ }# I' R* e2 H% b) U
, R9 x7 y5 _. Z" k' G0 w2 \
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。/ V7 A$ ~& N$ ]! P, V
8 B" U5 x' _  x8 p
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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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。: ]2 R- @, o0 A/ O7 _6 u0 H/ |
& ?; _; ^0 h5 ~% I# a6 N
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。
$ {& [" e6 O* [. ?. X/ f5 @3 {5 q/ c% P% P) K
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。) C1 X( w0 x: i7 V/ |6 o8 N

4 Z, @# o6 u6 K+ ~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。
: e6 A" Z, x; t: g( E
! j/ r# ~  @9 m3 L  G3 a/ R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?. I% }. W/ Y6 l& Q2 e. E. [

+ t7 ~/ Z3 l/ b; g. ?* O8 V用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。; G! G. G" l2 S

& \% b) ?" w/ f7 J! j! o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
    1 小时前
  • 签到天数: 1932 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 - m' \, l* W! w. v3 t( d2 m& I9 m
    # v' O0 q. P# Y' ~$ U
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了, Z- a( U; w. I
    3 b2 C" B( H4 G/ z0 N3 L/ l
    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
    3 J0 p/ N8 m; ^& D' m& X好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    0 t& ^8 b& E& X4 w: ^& ~! d' V1 O$ S! n  o9 N; D6 e
    还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...

    * r% ~8 b) T) i# S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
    : m6 e& {; W- l- Q' A
    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。) Q/ S1 U- g3 |! p
    . E- J7 D8 B: a9 \! o- 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
    7 z8 U# J  G9 t9 A( ~% N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 ...

    % O7 W* E* r8 m' e: ?5 ?1 L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
    0 a& R+ V% q4 [7 H; @  ]据说中国钍资源够用两万年
    % M0 q+ Y. E( d$ D2 W
    . _$ b7 ^! c- S' H+ k
    各种说法都有。可能因为钍元素没啥用,勘探口的人不用心。
    , F: C" l  S6 Z8 M4 h8 S! ]6 I3 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 ?2 d  j* ]; C$ j7 X6 a! t: h, J2 G3 r/ f  V
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