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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 : f2 p  S( f! Y% V* Y" S

1 E% T" A3 v, G, q2 d  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。
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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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2 [$ P3 N$ R: F) w" n) y( 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。4 z1 e4 p9 T! ~, U' h
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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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这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。
. k7 Y3 B; e" J& w; c" |, X1 }) s
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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" M5 t% X. W6 ?1 A; t0 G/ W! 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。
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" v& e3 {8 d. G  c5 T0 ~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。( _  a5 T( i" a' W3 }8 r" y
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钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。$ V  J* u; [5 L- E
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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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9 a9 {$ I( [0 v- R典型熔盐堆示意图% N6 l7 x3 k7 S! T9 U0 e

  H+ B1 {" @1 {- S, r - y* Q% [  Y' J- r$ r% O) l* o
中国熔盐堆示意图
" r5 N& k. q6 |, P: w9 J7 q% A  G, g2 {' l. |/ r9 R6 V
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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7 g1 q$ w; }0 x# l# W5 A* C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' w% a- `- [
4 g% u# k) G  [2 ~. A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。2 N$ v# Z1 a* f, `7 ^) w

% I* |5 F6 G. t% {, [* r- D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。
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' K5 C# k8 l' x( F' G  X9 E" |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 [$ x$ i, M6 A
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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。
1 ^: }$ a& b& I' J
( d2 m) A1 y; {0 i, Y" X8 F/ f/ ^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。
1 K0 s4 i& W1 p
. i* }2 E  {' B( ^2 u; J7 }( m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。
  r- _+ q6 ?* X' |
" n1 K& Z& @, r1 @# L4 ?% l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。
% h' a" a+ l. b8 |- ]1 ?, o3 P/ V6 J3 v; L/ n9 R9 ]. T
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。
& t2 d/ A" n5 l+ _8 m& _0 m
. l& ^) t7 R4 w. ?! 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?
0 ~+ |/ [. Y, a. `$ g' c
% X4 u. J# B' z用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。
8 ]3 v. @* S! X' N# T9 K6 E: E( ?0 B+ @$ T. O* U
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: 1722 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
    % b1 P; E6 [* `/ F
    - }3 m% g9 V0 W' ^: u  s好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了# S; _" S0 G+ r  `% `* \

    * b2 N8 n1 _1 c5 V' N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
    ; U' ~; w# F2 c3 G% ~" f% l$ F好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    + m6 D5 ^8 C) m6 r( Y; d( n$ r% y9 o  P
      L, k9 ^6 ~0 ?/ Q8 N还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...

      N8 B4 L! b2 D9 j6 d, G2 z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
    9 L1 `7 Q0 j* }
    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。& E4 S6 w4 v; G" e& y0 u

    / c" p7 t" s! o- S, c1 }8 U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/ m/ |( Q; p0 c0 {: S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 ...

    4 H9 z: _4 v# t" J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 23:121 G  G( _% E& U3 ], y) B9 f7 T
    据说中国钍资源够用两万年

    4 H$ ], W4 s( l$ A2 m
    4 I5 X7 c- h0 r) r- ^' h* v各种说法都有。可能因为钍元素没啥用,勘探口的人不用心。, ~# |$ x# A% J8 L7 f3 ]1 h$ M

    & Q: p. M, P" x现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。* E! _2 w5 n8 a) A* W: r, v
    + A+ R. [; D& g
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