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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
1 J1 V2 T  u; j+ W6 Z0 `  p- B2 r0 j4 a7 j( O' c6 T/ 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。
' M; r; R5 v  \  z* ]4 s) M
  v; f: X( F: V! u* t; L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?; ]5 b4 |0 q* R% c4 @2 D7 Z8 B
+ }+ y7 F, m4 Q' C( U" c
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 T  s- m# w! R2 {
' P% q* x) G3 y4 {& H! C4 X8 B" a4 C. q还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。+ y5 }* x: r+ n9 ^

' I, Z8 y4 q' G这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。
4 O' U4 Y; n. O+ ]* J0 {# B9 N; W6 T6 O3 O5 i! I5 r: J
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。
5 _" y# s7 w, t& a; T
  @, }% ]2 `( w& R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 x5 A# g+ ~2 h- ~6 l' z3 W+ B9 A
  w) F! e/ I; p+ n% X4 R1 V( X6 q; c( T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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4 o9 p* {% Z1 B3 P+ M6 q1 S钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。. k: |0 M. L$ `1 H/ ~, h7 L+ r

  l: P3 P7 }  L5 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。
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典型熔盐堆示意图
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0 ]; @( c4 ~( }% C/ c
+ {5 a- c7 M2 Y7 I5 \4 G中国熔盐堆示意图
9 v1 s9 {! d2 O) A
; w  [/ E5 S2 W$ K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。
! D6 R# q. X- Z& t! [& L: Y1 C- a1 c! C# R* [5 i8 z
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。
: n& \& O& e5 W" I% L
- T7 z2 v& ^8 a$ j: E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。
3 }; ?) G" z: j2 v8 \  E$ B/ o$ H) l9 y1 S
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。& [" V4 g; h7 Z, M& d6 T
9 M, A( ~7 t) d0 _
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。" @6 w0 f5 q+ R  q# R9 ~, {4 X: ?" f; J

8 D5 O+ d; n* n- \! h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。5 f, r6 ~; H0 f" _& `7 K, o- i
# v3 p, d4 ]/ u3 Q
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。! O% C4 O$ N8 c- F8 F% {8 F1 P/ @
  U8 B' W8 B% x7 k
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。. h6 q: [0 ?  r& ?( B  V
, p8 z" H2 w- s" ]; y
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。
$ g/ t; {2 d+ v) u# t$ \& M& v
& X7 W. I3 {' o  f. p3 c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。
+ ^4 `8 ~* }; Y5 t# m8 P* u' D: G9 z/ p) U/ N& z3 E
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?
* j# z" C! o0 ^1 ^* x% l' U
2 v! c1 F/ J1 B( @7 e用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。  D  d4 S" w, @4 i( a) _# Q( L0 o
# W' i  h* N+ ~5 u/ Q" e
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
    17 小时前
  • 签到天数: 1851 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
    # W9 E/ ^% `5 f4 B7 d& n  t9 ]8 T0 U$ c6 C3 L2 {" l- G0 d. q/ W8 B+ h
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    9 r3 p) h9 ?* c2 l6 @) b( a: E, U+ L+ V! a, d
    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 C3 i4 y7 O( I! m, X+ \好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    , O8 y% b2 F. w9 H4 K1 G, U% e! X3 S! n
    还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...

    " o5 \8 k/ H) c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

    - S; ?' r( a9 `+ u6 L3 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聚变所谓的无限能源了。  d+ b( q' U4 q# v
    # S- l! M2 A# Z& }
    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" C* j" G" h  W9 u) r6 D
    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 e5 C8 r+ Q! I; P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  [4 F3 M$ v; _: E( t
    据说中国钍资源够用两万年

    # _9 O- h$ I5 i3 `, ^$ \. x% x; E! y" n* b" J; n4 n3 t
    各种说法都有。可能因为钍元素没啥用,勘探口的人不用心。, b$ G* F+ J! h& _- G& U" W* V

    ; @$ d( D4 `7 O  ?$ R  u% I现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。
    , ]! L* F% }, _
    . q. U8 l, r4 U$ ^( L! M8 T
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