钍基熔盐堆：中国核动力航母的关键词

晨枫

+ p- M# e( K  W% I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。

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？

' Y3 W) s- h0 H: Q; T+ }. [( M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。
) h; D# L# s7 J4 ]+ N7 k2 G% J
+ O, d. ?/ W" ^$ v) }+ i还有人质疑：钍堆功率密度低，上舰的体积和重量太大。
# ]/ ^: x8 W/ V$ a' w. Q
6 O6 L; N! U8 \! F! v这些都是有道理的质疑，但是还是有一个但是。
4 N! g) w# q4 ?' _  ~7 B/ z0 h
: h: C) I6 p% G$ I9 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。

4 x/ K& \! n% z  I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。

* Y- w" S6 N- m- Y, f6 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。

钍堆有熔盐堆和球床堆，现在的主流是熔盐堆。
$ P2 N9 p- J! f8 d! {; e/ P
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。


% V& @, P+ ]( j( K) S典型熔盐堆示意图
9 V/ X$ d( L( I; l  Z
# I9 \4 n# v( m6 C1 y6 S2 Q, H
3 d* g$ W+ J) J中国熔盐堆示意图
6 C8 m( S' y+ Z+ k# C+ L
2 ^4 v, O/ [) x( H+ L+ i( z+ [8 P0 o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  p8 Y7 i  I+ T4 d7 H. m1 T5 m. {
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。
4 R/ i1 B8 R& ~" _6 I
  P* O$ P! n) \: n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。
6 d( H6 I& ?0 H# s# K
3 j9 K: u  M8 i5 o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。
: W( m% [! d# [9 B  ]1 n
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。
+ T1 |$ l9 e& e6 N6 c( _
4 C6 P& H& g* 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。

$ k, T; H  }# ]% y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。

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。
! _1 k, Z# V/ G7 v; Q$ c* t  }4 L; s
2 b  J; q+ K; h+ F* h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。

: L# S. ^1 R6 ]/ X8 v+ z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) f" Y& f7 w2 e5 _1 R
+ _0 T9 t  w9 M( |; }$ \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？
& m* H: S2 s/ l  p6 s3 K
& ^: E4 k: G5 X* h% y3 p" Z$ m用到核动力航母的话，那就真是领先美国一代了。
4 `4 N3 d' D* y! _( L% A
9 Z. j' I6 T5 m" P2 ]' m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

1 q. d" t# f9 q, Q' r! `4 X好啊，以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了

* _% }/ @% W( w! ?6 H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
5 m# q7 h6 f) X( Z$ k0 q% t好啊，以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了

* s4 F+ H; g# e" I) w' D9 e3 E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。
/ x' G+ N7 [) b  a8 B+ R# E
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
; X$ X, M7 X! y- A' i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 ...

据说中国钍资源够用两万年

五月

晨枫 发表于 2023-12-15 23:12
据说中国钍资源够用两万年

% w! E# E3 ]% H0 o8 m0 _* j- R" N
各种说法都有。可能因为钍元素没啥用，勘探口的人不用心。

现在钍可以用了，显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。

# w2 E& k' s- O, @" i