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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% s* v$ R7 H9 t0 e9 b2 s5 ~5 N% ?$ D8 r
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 h8 e: Y1 i8 l* X1 d4 K, a
# x/ k/ d4 s' [6 a9 A% I8 E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?2 u* U3 E3 g/ k% A& B8 z
  ?1 h7 v4 r1 Q7 K- ~" K$ e( l
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。
2 j0 ]3 W2 N+ ?9 ^- l6 Y
2 R; O; S$ I$ J2 n  Y/ ^还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。0 t/ e* C9 u/ g/ A/ N

# Q* @% l: z4 a, N这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。
1 ~/ ^2 G% S" `' E3 E6 b) H( z7 ]5 l4 C, i
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。/ ?! N- M, q8 B0 m/ w
; V' p  E/ O/ A, e. G6 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。3 g+ s5 {' j6 z, O0 z/ ]

: @& h; l  E' 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。" v9 I  ~& g* Z0 }- w' d7 H5 l
2 f4 w, r4 u$ q5 ?, @9 P
钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。
1 {% R$ c7 Z' a2 K
( E2 k3 y0 n" H$ C' {5 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。5 v5 ]5 g. f# d5 l% S9 m
% P/ V; f+ @, `* y9 |0 x0 J! i

/ O& L; m7 D. C. \典型熔盐堆示意图6 g2 D& r6 D* F

# L3 p) E- U& R+ @+ I  V
. _3 X: @5 O6 j中国熔盐堆示意图$ t( j" Y, t* c/ y: f
: U& S' h' |' X, k  F" O; g$ F
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。7 g$ }- G$ q4 I: z

# c$ ?  t; }& w( O" f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。
0 J- |- V! c: F9 R8 o7 t2 ?
8 @7 G, e  t4 o: h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。
$ [+ {" f) D5 d- F: }+ v) P* j# {' w8 g8 Q( y$ c: s3 `
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; |/ b4 _/ U# n( X3 y9 D/ z, O0 m3 Z1 d( O
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。7 y8 Z" M" a2 W- T) c) f
( i/ c! `! k7 \4 `" X
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。
+ g# P0 k$ s  ^3 ~% g* {8 [6 c" _+ u0 ?& R; ^
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。
9 ]( O2 m/ S9 n* k2 e& ]
: r% c: @2 K1 V7 q0 `& }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。
: O, v$ _& `5 V4 S3 @* w, J
8 E9 E$ P/ t( z  ]* \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 `- G' V$ L  z" i- O1 U0 f0 [# O! s$ W, ~9 i9 O" }; 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。
9 B# B8 V  n5 i) u2 L* I: [1 z/ f& ?6 I5 U1 q2 a
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?
  |# w6 a8 T( k0 |- ~/ w8 n7 h7 T& _1 {( p
用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。
  Y2 u: k2 K- f/ p/ J* M$ ?3 C) ~# n8 N4 i
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
    前天 07:08
  • 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
    $ @" p" \5 G* D, H: V) ^- y8 D6 d9 w) {% A! u$ v  z1 C1 k/ D
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    ; s* ?! b( X# h7 ^, }  f
    . a4 ]6 e9 S" S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
    " |9 e) w6 G) n! Y, t* q5 T9 j好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    % ^- J& z; i9 N" I
    $ u1 o, i9 b' P) R3 z7 ]还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...
    ' M0 A; |4 b9 ]$ K" L9 b; l$ F7 o
    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
    ) Z% c# ^4 m' V
    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  c) y( u7 O: j1 _
    9 D! Z0 e- z2 v$ Y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 09:092 E4 R5 F' l: j, K& j# g3 e
    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 Z& r+ V0 D% ~; @1 m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
    / \) ^) T, g# A, c据说中国钍资源够用两万年
    ) W# G7 |" f) ?8 o8 z8 B
    ( o' P& q& n$ 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。8 e) U, R9 D" M  ?6 O
    8 q0 _; l7 F7 ~9 c# Z7 h6 c( Y
    现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。* _! O. t0 J. Z9 L
    , F& z$ ]! p: e* A1 h" o/ M9 d
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