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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 & q% G# b2 Y# f% z' U3 w6 x
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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。% g/ ]4 Z! V& q' K) ?3 z8 q4 R
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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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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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还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。
3 S( _/ \/ r: V
0 s2 x/ P0 j( \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。( m4 k5 l- @& Q! Y9 h# z

* J8 z; c6 Y: f3 T% [3 M) A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。* d& i  L- @' J8 T8 t
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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。
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" I; ?8 k/ v/ F6 P钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。
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- l: v. R8 S2 d0 ^. e9 a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。' b( e2 i* ?! e8 l4 J7 d

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典型熔盐堆示意图$ \  ]8 w6 K: o) k; \! J& }

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: i! Z2 B$ ^( |中国熔盐堆示意图/ h2 y) l% k( d4 U& @( W0 b

: C& T: S, s) }' z9 \) j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。( g9 @, }- O3 P% P" c# A
0 c' A( O! W% a
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。( R- \7 I. L' l
* t/ f. Z# M, O& N  E5 d5 m8 |
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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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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. p# ]) \8 B& ^5 K  l& O: 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。# Q) ^# Y  G$ i0 o4 Y  f8 n
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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 Q1 y* B* Y8 V9 ^+ s
- c  n6 B# Y; e; K) d5 j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。5 r) I9 s& _& j

7 r2 Q3 b2 D, b1 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。2 y8 W* m1 a$ P1 [

* }  M1 o0 _& c, J9 {" X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。( j! i9 M5 s! E6 n9 v
) N) \8 b5 H: E4 s4 v
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。
- v( }+ ^3 E7 }# o4 g" e4 m- q# h$ M0 ?& w% i! r% D
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 S$ q# I  S0 C; y$ ?: G- g- Y' o( v9 _$ x1 L( H, V: t1 s
用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。/ l! ^3 _/ S4 n2 k
2 L. N* T0 ^9 o' y1 r' 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
    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
    4 p3 U; F0 {8 A& y% w  m9 f6 ~( K) K7 Q1 k0 i) |5 _
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    0 j! K' _+ D  Y* p) |6 V" Z: U6 X( {* ?
    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
    + L% V7 ~& ]; o7 R( i/ c( f好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了% `$ Y2 f3 \8 f: x, R6 v$ ^+ P- I: D0 P
    6 B2 ?; B9 {  [  v6 I
    还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...

    ; r( ~- X& j7 x" n# R" u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
    + p% a5 U( Y0 O5 X9 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 k: e2 t% l+ V3 O( o
    ) e1 A: G/ y. @" k8 Z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
    % s4 h7 s! D9 \  Y! \3 h3 u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 ...
    2 r: w/ S2 t; V2 w- m: H
    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 ?2 K5 A3 V* u0 O1 W
    据说中国钍资源够用两万年
    ! P7 @1 H9 @5 @% R& N, @: V& ~. X

    % D4 {+ k# k; W" f' k" q各种说法都有。可能因为钍元素没啥用,勘探口的人不用心。
    + v+ T& T$ I# [, R7 s
    ; O! ]+ L' d% @/ y: x3 M" ]现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。" o& f. x5 Y, A' f
    2 o' P4 @$ ?! J4 s( e) P* a+ F
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