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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 - H  n  ~2 x3 J. p1 t) @4 ~- L

# e$ Z8 g  q/ a, {. `, w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。
8 ~3 \9 X6 x. ?$ I; M$ Q9 T; D
+ i. Z6 W, {% A5 V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?
$ ^( l/ D9 N; i/ r/ r( o  p4 k- k2 f8 D  h; F$ i
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。
- e4 D) i$ i" }" y+ A, G7 g( O" S+ ]' ?1 t. q4 K  g8 h
还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。
* R) M& c* ^6 ~, t* K- B3 ]+ b4 Z$ p" s
这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。
/ d5 u$ H: E) k  X" E- ~. t- m: ?3 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。
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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。
* T0 h2 S4 K/ l# F) [% E
3 i' D4 V. L; b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。$ [1 x% x% @/ L& j

: `5 L. _8 T# F% @/ r' |+ F钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。
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9 X* E5 [( @. u& n/ m; D: z7 b. O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。: V8 z! i" A7 `

+ `' Z, ^5 c3 j; A- R, X! X
8 B1 g* S! }* k2 [7 _! G0 p. s9 g/ l典型熔盐堆示意图
- _& a- E4 e, W& I+ W/ \. ^* _; V
/ H/ s6 N3 Z7 {# k8 w$ b  O
中国熔盐堆示意图' u  m4 O( z& z* P

* b9 ?  Z" `, z6 w, T6 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。* t3 F' P+ K* L5 q

1 E" @" E. ^6 D* J  m! d* N, b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。
/ ^/ ~1 w) ?: {" P* y) ?% m
, R: `6 W. E1 i0 x6 x" Q9 X& P% z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。
* u% T% ^2 ^! s- a( ?' `/ a
: ?, m) U" y* }3 N% j& Q+ Q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。( w2 z$ I" B) y/ G5 L; z

8 a. \8 k- N' D% m6 t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。8 u+ }7 Y5 r6 r/ E* f+ \
$ f2 G4 h5 ?+ @0 }- S2 K( y! l
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。
$ m; k) c. k& P( ~2 M6 ]
, c4 N: Q2 f' `- l0 y' d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。+ t! c3 m- C4 {3 Q& o1 V0 i, D
: ~2 q- @: ~6 ]% ?
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- F4 I* F, E% _# c! E, [
. v- \% s% O- x  _% ?' |, |! o+ ]9 }
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。, r" D: ?1 G. ~: ~

: F$ S3 d  j1 q/ F+ y, I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。+ _/ m0 S. m" v4 r# u, X. |; Y
& x% u8 o9 j- ^- `; `7 |. m9 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?3 T) d# X2 O( i# H+ L

8 {2 `: g4 o8 `, ]用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。
, f$ a# N) Q+ }! C( q8 a/ P. b7 ^) i2 b8 d; o7 Z0 }7 T! 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
    3 天前
  • 签到天数: 1947 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 t* m" E8 k  O& {- ?5 o% N

    ! [) ~% L5 c/ f) k' A3 `1 [$ U好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了& y8 J0 g0 n9 `  d
    8 l4 J$ r6 J1 R* X3 h. k! D4 ^
    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
    ' w8 n; p0 `* M, t, S. n4 Q好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了+ A' a0 m' `0 L1 v
    * O  e7 c# @' S+ y6 y: ?
    还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...

    ) N9 |3 K* H' X0 }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

    ! p- Y# a$ X: n# o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。
    , a5 W. r9 W' i
    3 I- T8 W& ?# }/ `* J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
    5 a+ Q4 s7 L) M3 _8 X8 C+ 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 ...
    , V* ?$ b2 ]+ 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 23:122 D9 o5 J/ o( m7 O
    据说中国钍资源够用两万年
    * X5 n; D  I( g/ y# \9 l) Z& h

    ' }! F2 C% Z4 @0 V( J' [4 @7 L; H各种说法都有。可能因为钍元素没啥用,勘探口的人不用心。
    , Q. \: N0 E, h8 k: Q* v* u( J$ \9 i) A, y6 n
    现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。
    + ~# j' o% d9 g2 a0 {7 u1 j- ^; C( }  a* F, C$ b
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