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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 : P3 R& L; S+ U6 _6 R& i

/ D& z! w( B+ s5 O& n/ E: F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。; B; R0 T  p2 B
0 g  I# C! E% P/ y* _* f
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?8 r1 p' E. a: F! U8 N2 |+ y
4 q- P& P- W5 f
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。# R. k0 N/ f1 D
( T4 m3 R3 g  G8 @- V$ o+ L
还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。$ i- s0 M. \' [

$ v6 p& Y8 S) J/ F7 k9 K& B' x这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。+ h- B7 {. W; I, V" F

3 m/ z0 B# i: `/ R2 t. F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。
: P3 V; m# n9 n/ v7 h8 ]+ Y% Z/ y
+ W+ B- R6 i5 u" {6 h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。5 J9 x0 ]6 B& u" ?% R, Z5 m
9 d  T2 ^; E1 c
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。
0 v9 P, K' l/ A# \/ V& J; l
; C8 m6 O. D6 ]) P; ?4 R  M钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。, p/ f. \$ L" C

) E1 I8 M* v1 T6 E% I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。9 R4 o6 j/ K' f/ Y' d& k; P9 C1 T4 ?& |

- Y. @5 M  t7 _/ F - v  I, o7 \+ T4 i; j& r& Z: a
典型熔盐堆示意图6 k7 ~9 S7 f: k, u/ }/ f; n# I

5 U) A) S2 {7 G; V. H0 x: ~ 7 u& [, i) z& L9 ^! g
中国熔盐堆示意图/ T5 c5 `3 s7 Z- y9 d
* d. S0 i$ o6 ^  ]0 x+ b
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。
) }; z+ F! P- K1 y, v; b. \( J' Q  D8 i4 j6 I
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。
9 H6 ~# J$ M& H, U4 m/ {' w7 v! g' K: {& e* 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。
4 P9 d) c* g/ ]4 h& u1 D) O' Z# `' v$ V8 L  F+ K
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。
1 L5 l9 J$ _5 i, M. d& g& \
; F3 v# \/ C; A3 w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。# H( t1 a2 l6 E1 W0 M

4 s/ [* y2 |. ^+ ]  |* {9 m  W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。  O3 O# A0 e8 ~0 L+ }

" N8 b2 h/ K( b5 t5 q0 M! P0 @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。$ }- I" f: P  C7 V' O0 Z6 t
+ i( j$ c; k$ e2 [5 q- e
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。
3 d' j: g3 `( B; m2 _  E7 b
8 j& C2 a8 H: K& I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. P# e, D8 {, ^" a
' U8 x5 z* k. |9 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。
) B1 }0 p9 x7 g  }1 i4 V6 \. y: t
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?
, s2 C% u* U5 p6 O. {7 }* }2 ^2 ]4 d4 S
用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。
9 w) n: N: c+ k% r& Z9 n2 S) T
" ~$ S' d+ m) z) j1 h9 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
    20 小时前
  • 签到天数: 1781 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
    2 X5 s9 T# j7 ~" j9 l2 J" b+ K2 e- U2 M) T3 k$ x- w( T+ |
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了5 ~9 f3 s& d9 @5 }( l9 v" V
    $ P5 I& L5 v+ O) P9 G
    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 01:418 G/ i! c3 s) w+ V/ r- w
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了9 j" ^  {+ C6 r# y
    $ g, F1 _4 }* U; E! W# s# d5 K/ @$ D
    还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...
    8 R; G0 W( t5 x" r% B/ W
    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

    2 G+ ~1 q& A3 \+ x' ~: @9 h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。
    : A( D/ |. k; x8 r1 M
    & q$ e0 K) H7 v6 ^. ^, g! X* n' I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
    & X- y0 p+ C4 `. s4 P5 M  V' g' F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 ...

    , Z) Y. D. b# K3 n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" h0 b7 Z- u$ ~9 Y! i
    据说中国钍资源够用两万年
    ! C  {8 v8 ~) ~8 v6 b
    1 E" u; Z* M5 y2 [8 p$ _. J
    各种说法都有。可能因为钍元素没啥用,勘探口的人不用心。
    , G' y# _' E' M/ V
    ; {* B1 x) i$ G+ J( O; b现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。% l. D0 ^: h( e

    1 n4 h# `5 i- R" y( T/ A
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