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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 % x% m+ e+ ?8 e

7 ]0 \, b  y0 s; G. ?! m8 _  q4 N& Y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。5 K1 M7 Y: ^1 I. e: k

' M2 O/ f/ U4 g: X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?
8 J4 g" B" P0 F! ?6 X; J+ K# P: I; i* |9 A+ }; R
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。
# l6 q: r% N" H) g, N: K+ e' d1 [" s7 K  R
还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。
8 g. e7 L3 x3 D8 q6 G
8 c5 q  H% Q5 |1 [( r8 y9 z3 O) \% B4 [这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。
  @3 f3 k$ m  D8 O  k6 r
) y/ p) e& G5 u( Y! Z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。
% L: m8 m, b* Y
( y6 W# L2 e. U! O. r4 v3 h! d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。1 k! q/ }8 x+ x4 L

6 g- I  }' P7 O3 H9 D- q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。" e! p5 k0 V8 L* k0 }

" @3 L. d5 I! D- k% J钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。
: n7 d4 W4 {, j% Z. F5 A  u# v* K' z3 h7 e+ S: T0 J( e) ]+ X6 V0 M
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。- F1 m! Z$ d  p  M

5 ^# J1 S3 h4 I( M9 ^# h# j 4 R8 M1 U. A1 u2 p! N+ q- N
典型熔盐堆示意图' d1 V$ d$ u6 ?/ I' D3 \! p6 A! y

7 }  U5 z" h9 ^
+ I" y* t# F$ Y& @中国熔盐堆示意图
4 \& o+ J- K+ i7 m# r) Z  F, P) o/ d2 g
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。
2 O5 Q; |. C) T# I$ e5 n! U+ Z- J; T% H5 E4 _% N8 E7 B
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。
  J+ A2 Q" A" O0 ^& o8 \9 c% C2 O( F
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。* N1 a! u! t$ |1 K

4 D2 K8 }* ]8 |) v% c/ `0 \' I: z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。
2 ^* G; R9 `" d; A6 S1 B+ r
5 J7 u/ e1 A8 @6 @9 s* V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。5 d$ Z+ ]" u; Y4 u7 I" ]

$ ^+ e! Q/ p& @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。- J% o: E2 h( B: h

# d6 e. G4 |, m) z! a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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" s3 Z. n1 z/ K/ g' c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。
6 Z' B- o5 H% X) r+ f) D4 v, o6 D
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。( V  q6 v: }4 j' _

0 h; }2 i8 Q2 V% 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。
6 }1 w$ k& \9 N9 C5 H5 H1 C9 ?( F
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?$ T9 M6 X- }! y  M- J& v) m+ ?. _
# u% e" X" f4 b; l2 y% ?; I; ?
用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。" I& V: ?: p& Q- i6 P
1 f% A9 D( _5 p; K
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
    7 小时前
  • 签到天数: 1715 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
    " S. d- D" B6 _7 n! D2 t! C6 }  _" S4 ?4 k6 F2 n
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    8 U9 v5 S9 \6 w5 J* k$ b' y) `; W" ~1 `2 q
    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
    $ w3 l# U/ i  }) a) ~  C3 [好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    # v2 X" m' u8 O2 X0 \6 {2 E& Q
    , z% z  Y  g7 a4 n) T" Z还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...

    & f7 a3 e+ w# N/ Q$ }0 ~1 j" r4 ^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
    ; m0 d6 r5 a, H& h
    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。' m* Q$ B" v  U: u

    7 U9 J9 ?# x+ J7 I7 J* P- x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 09:097 d2 G; `% t- L# Z, D
    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 ...

    9 X6 [8 C8 [% V( ^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% G* B6 i+ G# Z  K
    据说中国钍资源够用两万年

    ; R; F/ O* F5 a( F1 F, m; d; K
    - a' u" x" a  K4 U! @. F+ `, U6 {各种说法都有。可能因为钍元素没啥用,勘探口的人不用心。' o. w5 n4 U1 F) S: a' E

    1 [/ u% v4 H# H/ P0 S: _现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。% R3 ?+ s" W1 H

    5 A/ L& N. r+ u; l% y+ Q
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