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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
, u* p+ r! F: [' E* z' W
# b* C! b& s# m4 J( e, T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 h; m5 @  ]" N5 I- O  s) N
' W. ]4 s; ~+ W+ U6 f4 R% `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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6 L# n5 O( i$ N# F5 r; s$ t5 P  Y+ n# T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。: `/ `, Z% R8 m7 B
! v+ r- X7 ]2 n
还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。. S- m7 Q5 J; q5 G9 k
4 t  b7 a5 Z, [+ x8 j4 [# D0 u' ?" j
这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。4 i1 l( `) j; m* J3 |# r

4 j: n8 Z8 ^. N7 t3 D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。2 Z8 \* a: X0 U3 m0 c" _0 s( v4 I

4 I, F6 x) r# F* k, {9 z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。4 D- D3 F) L: `8 {; ?& [

# }! |3 j3 Q) h2 F3 J' I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。; z" |4 `; x& r5 ]1 N+ S" z
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钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。2 H) Y' V$ g5 \; _* E
# _1 f% w& M! ~( C) o
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。
# s) H1 B! H" `7 i: p& ], ^, o9 H: ?# T% `
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典型熔盐堆示意图% W; w. X0 j/ |% A! J5 m
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中国熔盐堆示意图7 l- x. w- W) B4 v6 l
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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 R" ]& v; |) H- G6 t+ ^8 w  n; a& W% |7 c' E
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。
) s$ ^7 P& P! G# }# Q) v
: q; p, S6 t# k# N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。9 h& N! A7 Y  s# ]% Y0 w! s
- g, p2 h9 F! o
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。
  u1 t) d! M1 [4 v4 K/ @4 `- G0 V6 v7 ?3 \/ Q
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。7 B# S1 x6 U6 J0 |: N
( U4 ~  ?8 `( x7 I9 e% [
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。
! L) I7 a9 y9 ^7 t
( e& E0 ]- @+ }# ~& h% w0 y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。
7 k& @9 }8 N: d8 l
  V- V* C$ s6 l& o2 N; l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。8 z2 r. K" r  L: D( i& A! p) B
3 K0 g! R" q2 ]" I9 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。% q4 B1 l8 F0 \

1 ~8 t5 I5 E9 V- ^& X* F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。
, ^# t; Z% {, x/ M9 ^& }1 ~4 v* g; a  q7 ^* G% `
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?. N6 K" D8 X) y  l) M

9 s* T6 z- O( c+ w# v用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。% I% M3 c2 _7 N4 a1 ~! V! }

, V& ~" I" }: ~3 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。

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  • TA的每日心情
    开心
    20 小时前
  • 签到天数: 1722 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
    7 _. E+ X& u4 D4 |1 i6 Q6 `
    ! H' L+ E8 B$ ?) V9 {2 Y4 }好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    ; S% A4 D% Z" ^6 N
    : A  V5 I. n9 C, L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
    / [( [, i* }1 e$ q! F好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    : b  c# c2 ^$ E  R- O$ c4 P
    % |- @. l3 G( T  G* V) ]还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...
    6 E: j8 o, v2 F. w- O
    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 y$ t2 b6 j: H% u$ 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聚变所谓的无限能源了。  t% y, @' L, e# L" C& H( Z2 a4 ~

    & d  N' }* u1 h$ u# q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 09:096 D4 u# S' L7 a9 R9 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 ...
    8 u/ V0 H/ G1 Y
    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( r* J" f! B1 X
    据说中国钍资源够用两万年

    4 c& H* {- u$ T$ B, E' [# x/ _: y  C/ u
    各种说法都有。可能因为钍元素没啥用,勘探口的人不用心。
    & C2 J9 N. n8 t; O% Y7 h7 x* c$ F/ `0 C; Z4 }5 _7 l8 T% w; n1 b6 u
    现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。
    5 Z' u9 j- M% R3 z! m& `( P
    + d/ d$ E& m* e8 ^5 H
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