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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
3 I  N- ~9 p( p/ W7 [' V
5 k% P, b( T; K" i  R" c  Q4 q& b4 h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。
0 X- w6 h+ ?; Q( ~% c# j0 t' T; D  M/ r9 I. e
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?$ R5 ~6 Z" L" J" N$ e& ^
& {1 S& q6 e' K0 H
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。& n4 u2 S7 {; K
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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。# k" ?6 T4 x  u, h  _1 w
( i* j9 k: u1 w) O
这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。& x- _( Z3 [4 d3 o# F
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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。( U# ^! |6 m9 X- C1 i
, {8 c1 K) ]- [7 o2 x( u
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。
! j: _" ?5 J. {: @7 ~& Z/ ]; ]0 @- t( E% t; R+ T
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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钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。
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6 i: m  k" i( S4 y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。: g9 |; U2 @1 I! n. C

+ O: K- c0 p+ X( h  i; K9 [* z+ H
0 ], C- C5 o% C* S$ `典型熔盐堆示意图1 h& o+ r( V3 o+ r' S( B
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5 B; C1 j8 m0 S  }6 ]
中国熔盐堆示意图
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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。
4 S" k. E+ D! m5 _: ]+ k2 @$ d5 s! I" X& a; N! \
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。$ [# k5 e: S3 S

1 T4 `4 c% R9 e$ o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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, a: R! L) f; c1 O6 v+ W3 N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。
5 o& o3 o1 t8 e1 e" g2 V! F/ L- r( c
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。
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8 e( J! r$ S0 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。
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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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! L/ t+ V# p9 a/ {; Y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。
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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。
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8 C! v' {6 V* r1 G0 x' }- I  L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。! L8 s$ p+ S2 C+ L% U* r
- N; m2 h/ a+ b
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?9 D' O6 O/ v& o9 P. @

" w" b  {  A+ G: \# _& e" `0 a1 M: `  _用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。% q% i1 I2 ?6 M$ G

/ o% L- J, ?5 t8 m- x! R$ P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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唐家山 + 4
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  • TA的每日心情

    14 小时前
  • 签到天数: 1852 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 ' B9 a. j- |6 p" H1 v( o$ ]' t
    5 s+ d5 y+ S# h+ b# F
    好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了' d* |1 Y; J! p. [
    ) }7 h" J, E. O
    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
    7 V, l" z8 j0 X& Z好啊,以后核动力航母就可以象汽车加油一样加钍了1 S# s8 N: R. i$ }8 N# k
    4 W) N, q3 B6 c
    还可以考虑发展核动力补给舰,给航母海上加钍( ...

    4 U* z* z1 {/ e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
    ! |4 Z! x+ H$ _2 Z# K
    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。5 J: O- c# z2 A" U% z& c
    . p, a0 }- w: b+ N( B
    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% A8 U* Q$ _7 y: u% s# e9 q
    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 ...
    1 i$ B' P- R+ u' [5 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: x  g; ^! v7 V: T7 b/ p3 q
    据说中国钍资源够用两万年
    " ^- x* [" `: l) _" F9 S4 K

    6 n: x0 `, W" L3 y各种说法都有。可能因为钍元素没啥用,勘探口的人不用心。1 {8 M% a3 \- u& a* k6 }# _

    ( P1 o4 S2 K8 A+ |2 R0 U3 Y# q现在钍可以用了,显然地矿口的经费就跟储藏量挂钩了。/ [- p% V! N3 o; ^! X

    3 Y# B$ H8 D' F" i. Y
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