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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
" @; f8 x+ C3 V& r5 X4 X
; \* r) i) c  e2 K: p0 c) k8 W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。. H! M- n' }; E3 e& t2 \

$ U# e8 }3 ?% j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?9 t+ Q6 a/ e% S5 D

$ h4 C6 L7 E: {0 y$ _3 s2 s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。+ h8 _, c6 r6 j1 l& Y7 O4 |8 @

$ n3 [& w8 H* _) I' d* v$ v# w* L; f还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。+ j2 K, \) v! G4 j; c+ e
9 s5 z2 [0 w' r9 y3 W3 I7 L
这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。
  s/ V2 g& f: F. D
3 `$ U1 b" K7 i3 U# _. k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。; R2 w- r* V5 q7 ?( A
5 b( I) r3 _- H: e8 R- \7 ?
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。
5 O: V4 x9 c( X
  x/ @4 @' h! Q/ p' F- H4 Y& k9 o: ^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  ^% E3 k, q2 v* D  B6 j0 E- O' B# l
钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。9 ]2 W) o, M& x% N& U

5 k" X4 q) B, [4 N) m  p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。
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" b# g0 G8 I& @$ H0 u
典型熔盐堆示意图
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0 q+ P; D2 I! {( P, H% ^
中国熔盐堆示意图
- v" P4 e: W' F) _" d
4 r5 M8 e! _' k  G' p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。
+ U: e+ ?0 G1 o  L% k* }- h3 I9 j. o! f9 M- z9 W: a$ R  H
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。. `+ {* t" K$ l) Z* P! m+ {& q
( n! x9 t* U, C" m
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。
1 m9 {; q9 x; \' c3 O
5 H( H( l6 H. S5 c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。
& f& o$ {; X$ {5 ]& Y# K5 ~8 y; p* K) K+ z
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。
' l4 O( A  c+ ?" V
/ ?2 c9 o) R: ~( s1 ?5 I0 ?! H8 D& I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。) J1 C6 g1 Q* y* n* _
+ ~$ N- H2 H/ C" n
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。
; X5 H& C4 E# g4 o. A: s' L4 ^9 M5 X9 d! }0 I" 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。
( v) x8 M- f! p2 u" P: h/ L
2 d5 b7 t+ n$ w: _6 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。
4 R: p/ X" U" g' F! g2 K
% A* ^8 u" Q' v7 N- p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。: w0 \  x7 z  r  G3 S
' p% c& t" u2 h$ O% `5 e1 S+ f* y! i& 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?
6 @3 V, K6 ]7 {* U7 l! H8 a# u5 T# v) ?8 `& B
用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。
6 S% J  D0 r' z  J
1 ]8 x, T& Y* {  J8 W: z" @3 h, Y! 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
    7 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 - R" D7 O8 F6 [3 F6 G4 Z3 e

    ; r- P/ f. K  p好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了
    8 }1 v) d3 F" k3 i( {/ R$ q9 H! c' i$ f$ F( A
    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  N2 q" }6 ?. C
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了4 e& d! `' d6 Z6 A; _6 g# {
    - F8 N9 `/ l5 }+ ]9 L8 n
    还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...
    8 f9 q( R' u, b' j% }( ^. g  D
    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

    & N8 }8 ]* r( r% x. Q; {7 W( \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 f  E- V. s! r4 N  V& w, ]
    , P0 ^' s  L2 T& r) Z' d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
    5 T# z9 M" T: j* \8 n  Y9 i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 ...
      T9 K/ v: J. r8 p
    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 `1 o& ~; }/ ~7 `: D9 R据说中国钍资源够用两万年
    4 ~4 P  D1 L( o' {! @

    : C" N1 a- H- K各种说法都有。可能因为钍元素没啥用,勘探口的人不用心。
    ( O1 Q$ S6 L  ], O% G: J5 \
    ( n+ d* k7 K5 W7 Q# _现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。+ s3 O$ G2 e+ v9 R
    : v; n) m* f$ U( ?/ J
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