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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 ) a7 @, p9 G$ M6 C% F+ B( o* c

% z1 s7 b  S& P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。# o, ~; T8 t2 d0 z9 N6 G

. G' }1 ]# V# r1 C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?
) n8 M( Z2 v) K; H
: h0 y1 E6 W6 @$ p! k7 |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。
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( ^, {$ i7 O, n- x6 ~3 c1 m9 p还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。1 O0 h8 v2 z- i( D/ L# `. M

- F8 d- c+ B4 X  _  k这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。+ I! a; T9 O' [8 Z( ~" n% ^
; R! m8 }3 {% h1 a
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。* E3 Q8 \6 Y: K: w& S2 C& |" @
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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。# \2 E  L+ j" o" x" j

" n4 \5 k; ~; A6 m9 m3 W& H  [! G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。
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钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。$ |0 G' Q2 e9 P+ f) u

) ~7 z! t9 Z0 k8 E9 T; G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。; Z) `" V* F+ w- D  `

6 Z1 z8 [+ v6 l) i0 m 5 N% F; S% L2 F& \
典型熔盐堆示意图
5 }; `) Q- \6 I4 U. W* r: c6 p$ I! R; X7 P& w. R# }

3 g/ ]+ b, X$ M7 x' D) V: V中国熔盐堆示意图0 \3 H0 g# k, h/ }+ F; Z$ `4 B. h
- B/ c8 f! q9 J' K% o4 @
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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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。
7 V1 e" y) I, x6 [/ C% g) Z6 p7 Y9 u+ z1 j& G1 t; X
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。  |* z. h( A! D+ S. G8 ^; u% G
* ]4 P1 z1 g8 s
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。
3 D8 ?' }+ i7 P& `+ g& v  i3 i# c; w, m$ n' t; x. c3 N" 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。
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7 t. R4 Y2 o; N- ^. ~  g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。- a4 Z5 a7 c5 |. I( v
: X2 A& a/ ~" ^7 |: F; Z
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。: A: y) Z& n* U3 ~& r3 M1 P% v

( l# ^% o4 c2 n( B% I9 R; O4 P% ]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。
2 t, p' o8 n8 U  W0 N, [0 X6 e; b+ v1 S1 A
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。) i# |- x$ C; ]
# ^& b+ S& R/ B8 S, y: a/ d1 N9 [, E
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。0 a; ]6 d  l' X2 r" b, g
4 B% v; Q' c) `% Z
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?1 T% Y6 u# y% Q8 x  {; M

& U" U- ?) y- K6 U) u用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。
9 S; U/ C6 x6 s% o% p0 O5 c: z- k" ~* u4 W
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
    19 小时前
  • 签到天数: 1873 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 9 S  ]5 W  E  u' ^* l' W5 |2 |
    5 r' W- b0 _+ T, G+ q1 T0 m
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了/ ?& i# K8 B: n8 D

    6 v2 R7 C5 I/ B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
    9 ]9 v7 o* n% y6 T# h( D: Y7 s好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了: s! j/ ?; e- c! o% M3 t

    3 h* k- `7 K' \6 _( u5 d  o% D- j还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...

    3 f) ~. ?( p" W$ L8 C, C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
    ' N& s* t2 j; w7 C) \+ o" P; \; s' G& 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。
    0 K9 u2 w" I; ^6 \) G. R) E: d4 M" {4 b, p7 t
    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 09:094 T6 `$ p3 k4 _2 }9 z- p( x! v/ B
    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  r9 O( J5 a: n, G" Z
    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" [1 a# m  g4 ?, f, o
    据说中国钍资源够用两万年
    , L: _. j  J. T0 h

    $ D# ]3 P- O" |# N# s0 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。
    6 v- q; d5 N3 f: e" s4 b1 ~/ B; ^/ c0 F
    现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。7 K) c" Z' a" I+ B( o
    ! p, p, R6 X  H2 H4 u, }
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