爱吱声

标题: 钍基熔盐堆：中国核动力航母的关键词 [打印本页]
作者: 晨枫    时间: 2023-12-15 14:24
标题: 钍基熔盐堆：中国核动力航母的关键词
本帖最后由 晨枫 于 2023-12-15 08:15 编辑 " J- k1 j- f# [/ p0 Q' |, A
. k9 M8 a% k1 L3 U
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。+ }6 T; x+ h( n$ X# N/ ]5 s

/ F  C$ A- t8 i1 E! b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？9 `8 m4 A# }0 h& ?+ l5 J

' b3 y7 B0 T5 n+ l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。
, P5 k1 `6 L: V. H8 y( c* d' k0 X4 l, d1 W! M/ |& ~
还有人质疑：钍堆功率密度低，上舰的体积和重量太大。) r+ Y. @9 q; A0 z. D- j2 j
$ L. o* h$ [) Y$ `. O
这些都是有道理的质疑，但是还是有一个但是。8 i, O; Y) Z& A3 V, [8 v
7 U3 B8 b! b" w, a, q! s3 i
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。
, r6 ?7 D# K2 f: A7 e+ r2 z# e% l+ ?- G7 d# g
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。9 B5 `2 M+ A) J" b5 f+ y
2 c6 t) F4 I3 E
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。
# W) a# X, g  N# L! n" u; ?# c: ]$ N  L
钍堆有熔盐堆和球床堆，现在的主流是熔盐堆。
* d+ P4 r) v- v( d! E% c; x3 M: u1 Q3 e3 M
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。
! J5 U  ]# r. L5 U. V( |2 D3 J, M1 G
1 Y6 {1 q  p" \' Z; q, g$ ? / y$ P" p. |. g# j! c$ Y
典型熔盐堆示意图
  R0 m7 G2 ^6 W0 i$ F! H9 `
5 {$ ?1 L# g$ ^$ Y * g% i) O2 X$ U/ ~$ o' Q- x6 g7 i& \7 ?
中国熔盐堆示意图+ |" T& `# X1 m1 p& j8 \! I
$ E, s" ]& l% f
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。
$ X+ z* q2 n5 P, ?" d" U0 \  ?& m
( C. X/ m5 q9 L9 N2 q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。
% y6 E0 z% c* X) z- n/ ^1 P8 W
) G# N( S$ u$ ~, Q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。0 g; E8 X9 o/ f$ w
! G+ U: e" k4 Q: X" }) r
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。
, R9 s, k% X7 z7 N; L9 A$ }' f+ L6 B) |/ P4 j$ F. @
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。
5 V) s/ w3 i+ t6 w. W5 }. Z
$ \& n  Y) K. p0 M) ~. s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。
' j5 A2 N& q" n" w, I7 O( r* r# i
" d- D7 K7 T$ }( l; f- B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。2 L3 X. E  G* k, _8 P  i
" N- O; A+ u) [7 q+ f/ u! w, 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。; f, Y: ]! c, [/ H5 D+ Z, o

! h) z3 ~; N4 Q3 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。2 W* E" e  ]2 L0 {  {. [
, w' c. ~, V* a3 u
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。
6 H* H9 B# W: C. b( K1 }
1 m9 L/ A+ z8 T4 y+ _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？
$ `; e( `( _1 p* W; B" ~" p
& ]. A( a' ~8 H用到核动力航母的话，那就真是领先美国一代了。6 l' R- j! D# Y% ^+ ^! L. o  ~# T

. s( D+ u; @) r, c" p+ q2 q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。
作者: 数值分析    时间: 2023-12-15 15:41
本帖最后由 数值分析 于 2023-12-15 15:42 编辑 & E+ q8 {' c, C- C6 V: q3 W
  Y6 `/ ?2 h, r3 l) L
好啊，以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
" ~8 Y2 q2 u+ W1 E
4 E8 b! ^' P; Y" ^4 t1 T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）。
作者: 晨枫    时间: 2023-12-15 22:05
数值分析 发表于 2023-12-15 01:41
# ]0 |: Q( p1 l. S% k0 ^好啊，以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了) n" d4 s: O2 {/ G% ]% ?4 W; b# A% l

& e* e. V% \: V8 I7 [) t' {& h还可以考虑发展核动力补给舰，给航母海上加钍（ ...
- W* O- i+ q1 Q, X) T
海上加钍！你也太猛了，15-20年都不让回港！
作者: 五月    时间: 2023-12-15 23:09

( r3 x8 o& ~* U* v6 M, U* y: x5 q; ?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。, M7 Z: f1 @( J; {0 j

$ O5 M3 Z/ Q  e8 o技术变成熟和降成本唯一的路径就是多多建造。
作者: 晨枫    时间: 2023-12-15 23:12
五月 发表于 2023-12-15 09:09
0 Y1 U8 ]$ h4 |4 A6 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 ...

7 R, ~6 R- i1 U; J1 g据说中国钍资源够用两万年
作者: 五月    时间: 2023-12-15 23:15
晨枫 发表于 2023-12-15 23:12& }: _: M1 d+ c: @6 J9 j8 ?
据说中国钍资源够用两万年
$ i: m* b0 z# o5 {, B) s4 g) A

0 R2 U/ d+ _+ S9 h3 ~+ o; A: [各种说法都有。可能因为钍元素没啥用，勘探口的人不用心。' ~+ F! o  q! I' [( X; m* j

, Y" e& I9 j$ K9 J1 F. t+ ?" L现在钍可以用了，显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。! v: o6 @* a. [

7 e0 `: O* c9 L



欢迎光临 爱吱声 (http://aswetalk.net/bbs/) Powered by Discuz! X3.2