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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 8 p5 f  M1 a) T* ?" m4 o0 B

; {* P5 P  _7 y7 U5 p5 J1 q0 d. ]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。7 x: I0 ^2 m& F/ j
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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?) [4 K( n# M& B  {( ]+ Z8 b- m, R
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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。9 d9 p9 B8 k2 h. F3 @3 l) d
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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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" }+ P/ v* |# N$ `这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。
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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。3 i9 J7 s+ @2 O1 [+ Q) B
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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。' R; ^2 n. u& |8 S$ p" v
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钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。& G/ X' P9 I. x) `3 H2 H! [# _
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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。+ W- m0 O8 n& c

. n! K3 ^1 Z. k% A: C
' s. w5 E; u5 z! c# F3 E$ C典型熔盐堆示意图
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中国熔盐堆示意图1 l2 r6 _) H' k! C# U+ Z* u! {
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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。5 _% j) b, f! s9 ^$ p' X

( N+ B+ _" c( _! \) X+ M! V" D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。
, ?0 x) i8 D  ]) G% K* T4 e6 h0 o5 @  Q# p& \; H" N2 C
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。
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" g6 R1 V( [' H+ W9 t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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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。' ]1 O# G4 D6 W2 S$ ~
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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。
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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。
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2 C2 g) e! T2 e" T, O. O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。
& q, w1 P0 n! M) a) \
& c% \6 u$ ]4 ?# ^  E* 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/ s% P1 n6 n3 ~& c7 y4 O+ s$ l

. J8 [) y2 q6 d' `4 U6 \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。
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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?+ ~. \. |6 {: r: x0 c& Z
$ S- Y8 T4 H8 J1 J; D" R$ ?
用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。
0 }$ q5 n5 C; ?, `% _3 a% I: V4 M  O$ g/ P# Y: j
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
    2026-2-7 02:13
  • 签到天数: 1955 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
    : w2 ~$ f9 F6 H0 g3 h( n* z( Y" z0 E
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了! ^0 `. @) K, [/ B

    $ f2 F6 g2 X8 V5 C) g' ^  J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
    $ O1 b! w* i4 W) \好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了0 o) u+ O8 E8 R0 T' F1 T9 _7 Q- X

    : o) }* p: V- ~  {. k$ b" G还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...

    - G2 N& s$ q  g! h& A. 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

    6 D8 [( l' v1 _7 a/ M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。
    7 ^; m' Z9 V( G1 o. y- e4 W0 ~& I1 a, e" c
    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 09:091 l( X) F/ d* u% G4 t4 N4 T4 O4 L/ 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 ...

    & @- y" _- h) l7 u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% k$ @3 C1 l5 s0 s% m, Z
    据说中国钍资源够用两万年
    5 U3 z8 [$ J/ Z, H/ J

      B/ u1 L- y1 V. ]$ I1 X! |: 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。& V4 ^6 K: p% e- J! X, j
    $ L/ C# p9 J) F. d) ?. K" E& m5 `
    现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。8 h8 S: U2 D5 M  x7 I! p
    , e! ~! w! `  d* I
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