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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
# t. M# T- [, y& O7 b6 v  x3 X
" w3 ^2 J% x  I  p. ^( X2 v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。+ y5 N5 ?$ z' N! g& n* h0 ~
' q8 y0 t$ g$ d& f; ]  w5 [6 {
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?
' V1 L' @6 G3 `+ y8 K& W/ W* |' S  a* h3 O4 o
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。. ~% ~! L( Z7 u7 G4 H9 Q' f

- `/ L5 l4 a! R* a& I还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。$ k2 [' \& W) a  e
. b' E0 F& a. a  I- j; h0 c: x
这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。) `: y  {/ w/ U0 k3 ]# O
3 q6 ~; L! }7 ?) I$ D1 j0 p0 U
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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" G' ^3 t+ U5 ~6 W8 S9 |6 M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。
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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。2 q# |, ]0 }8 y4 X( {$ H6 w! y
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钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。
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6 k9 t/ v# A: l3 X, b+ }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。7 |( s3 v$ q, E! @
: b! v5 x! c6 d6 @" Q( ~, e5 _

5 \7 `  z" P$ Z9 w/ U0 `: o典型熔盐堆示意图
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9 [, p. a. S5 _: Z) V  | . e6 h! A6 z* h( o
中国熔盐堆示意图
0 B1 ?; _) N0 T( K) a
9 k$ K7 v1 `, O8 `4 _8 y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。
, [( [, H, g) e  ^3 v. j' W
% Q+ j/ K/ `2 |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。& C2 T+ x2 }! u0 P5 Q

+ g, M- c: v: y; q- I0 \; l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。7 r4 }% E3 o6 h

- J: E& o& R) d: J- a3 J1 g% e+ P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。
- S0 T2 N) W- I  r- O0 Z4 d
& c# n) k( p) y; z# m- d7 ~# C  k8 d* w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。$ |" S! U. t' I( h0 S
, E, t2 x8 u: \" A8 }9 a& f
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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, z9 F% F$ v0 y: C" C, I' x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。0 s! A- b( h7 _& z2 U5 ~( g2 s& I

1 t/ g7 X* o& ^' X4 _0 I' `1 `2 O& W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 q7 l7 y8 d) G" ?) ~1 I, l# V! Q
' }3 ^% M' ]5 g) F8 ~3 v1 J
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% t1 S2 V$ Y9 N* s/ h
& c- p5 `" P& D7 x# Z5 P# I$ A
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。" V6 C% `4 K- ~& M; Q- I  j  y, z: W
1 x( Q5 b, f8 p! t( E8 x; ?
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?" w! C- _+ C: O2 q7 ]8 J2 \
7 q$ \8 ?$ k$ y$ z
用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。+ L, k' G, Y7 O: U
0 p) \) u" @6 O9 z' V3 @0 T
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
    9 小时前
  • 签到天数: 1853 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
    , S2 K1 E+ Y( ]* Q2 H: U& ]
    3 \, {. B' L. {; f4 Q  [! I好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    % ]! o7 z* a  d# N
    - A6 h7 h0 Y1 X7 u8 U2 W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$ `/ J( \" ~5 n
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了# `( v3 n1 X8 ~" q( e

    4 {! a' O" {" J, y. e/ G还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...

    3 n! J" h, X( j/ ?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
    + L5 H4 E9 }7 r5 N6 ^* Y; v
    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。
    + i5 C- [+ l; d" H8 u) G. W8 e4 q$ d, o
    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$ K, c1 S2 a$ `
    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 ...

    ) \) d- t$ |0 a( 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, L, M! ^3 y4 n+ \: y; ?2 a2 p& n
    据说中国钍资源够用两万年
    4 R. X. W4 i1 d3 t% I
    1 J% y) ?% y; Z. W
    各种说法都有。可能因为钍元素没啥用,勘探口的人不用心。
    $ k! e9 w$ m3 S# N& ~2 F) O$ @$ X6 d- X* A) V
    现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。, Y3 a! V3 Y+ U5 Y
    / j, ~2 ?* N# M: b) }  ?  e& d
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