请教T教授：钍堆上舰的问题

晨枫

在近期建造核动力舰艇的话，肯定是铀堆，而且是压水堆，而不是什么高温气冷堆、铅冷快堆之类。钍堆刚开始工程测试，离实用还有相当距离。个人估计，发电钍堆至少10年，上舰可能15年？

9 X' d4 ?( F& \2 c但是对于钍堆，坊间有很多传说，不知道真假，还要烦请T教授解惑。

钍堆以熔盐堆为主，钍燃料在熔盐里（是溶液还是悬浮液？我也不知道），随熔盐循环进入和离去堆芯。钍燃料本身不能达到链式反应，堆芯里必须有铀燃料，作为中子发生器，在钍燃料进入堆芯时，轰击钍燃料，引发链式反应。

/ m. k! _& N8 X/ P6 \4 K( _钍燃料离开堆芯后，再次停止链式反应，同时熔盐把热量带出堆芯。在把热量最终传递给二回路的过程中，也进行后处理，将乏燃料和续用燃料分离。
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0 [0 N8 T+ d4 v" ?. b5 H7 e江湖传说中，钍堆的传热机制与铀堆不同。

- `1 M& v- X+ R" j+ n3 N铀堆有两回路。一回路在核岛内，将铀燃料棒通过链式反应产生的热量带离堆芯。为了避免回路内的水受热沸腾，一般保持在15.5MPa，温度在290-325C范围。一回路的水流经堆芯，有很强的放射性，不能直接用来发电。
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一回路的高温水通过换热器，加热二回路的水。同样为了避免在回路内沸腾，压力保持在6.5MPa，温度在220-280C范围。二回路的水没有放射性，在蒸汽发生器里闪蒸成高温蒸汽后，驱动汽轮机。二回路加上汽轮机到发电机构成常规岛。

但是传说中的钍堆有四个回路。燃料熔盐构成一回路，和铀堆的一回路相似，只是这里燃料在循环回路里，呈液态（溶液还是悬浮液，还是不清楚），熔盐不仅是钍燃料的载体，也是传热介质。

传说中的二回路也是熔盐回路，但是没有放射性。这只是传热回路。

  c7 m6 F" @2 A; a3 f传说中的三回路是压力水回路，不知道压力多少，但温度可高达600-700C，所以可用于超超临界发电，或者CO2发电。
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. ?8 i, l+ T: y2 ?传说中的四回路依然是压力水回路，同样不知道压力多少，但温度估计降低到铀堆二回路的范围，用于更加常规的汽轮机发电。

疑问：纯传热的二回路有必要吗？四回路有必要吗？可以一二回路、三四回路合并，成为双回路，行吗？
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! N4 j1 `1 f0 _7 h5 h感觉从隔离放射性的角度来说二回路用水、CO2都行。

/ g( p5 e2 s1 D, @请问T教授：

% _# J) D' {+ {  ]) o! l2 o' U1、我对铀堆的理解对吗？
2、钍堆能像铀堆一样双回路，一回路是熔盐，二回路是水或者CO2？

testjhy

! u4 \, S2 b- T$ E7 K& |% f不行了，我退休时间很长，与这类事情很远了，想当初启动时还算近，有机会听专家组介绍总体技术和技术难点
看了您在观网的文章，从我自己的判断，钍堆上舰应该是您说的15年。
/ {& l( I: [( V1 r  O' Y1)目前的2MWt堆，正在设计的10eMW中试堆，航母比照福特舰的需求，2台350MWt反应堆，电功率200MW。国家规划好象2035年才100MWe熔盐堆，陆上工程堆不运行5年以上不能上舰吧？
2)航母空间小我感觉2回路正常，还不太确定的是熔盐/水热交换器有没有放射性传递，压水堆证明交换器是不会污染的。熔盐材料复杂，CO2估计也要试验后决定。
0 d  n; m" B% X4 G, p3)还有一个环节，不知道工艺复杂性和需要多大空间，就是熔盐循环，从原理上讲，经过中子发生器轰击或U233裂变，会产生一批氙铯锶等“有毒”成份，它们会大量吸收中子，需要在线分离这种核灰，还有说提炼钍233和铀233，注回熔盐中。在陆上这种装置最大也可容纳，在航母上是否能够小空间内实现。
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所以，钍基熔盐堆研究上舰肯定没有问题，但至少得在陆上同规模实施5年后(顺利的话2040年？)考虑，很多问题是与铀堆很不同的。

9 H5 p0 E! ^6 y/ o6 q* W0 `说个题外话，当时选武威时有一个说法：因为熔盐堆不需要水，所以大西北也可用，特别是与风光电匹配，我记得当年查了很多资料，才发觉上当了。选择武威或许是地点偏僻，地大人少，对放射性泄露不敏感。所有核反应堆本质上都是烧开水，所以2MWt可能风冷就够了，10MWe。100MWe是不是放武威，或者如果竖起冷却塔，就好玩了。

testjhy

铀堆的原理您是正确的，压水堆就是如此高功率的传输，必须高温高压防止沸腾，因为气体的传热效果大幅度下降。熔盐堆有个参照，就是光热熔盐，国内也做到了100MWe，技术上应该相仿吧，除了放射性传递，熔盐的压力不大，水的回路可能要加一定压力，但这点不会影响热交换器的设计吧。

晨枫

testjhy 发表于 2025-11-23 05:03
+ J0 h# ]5 [4 y/ s  O不行了，我退休时间很长，与这类事情很远了，想当初启动时还算近，有机会听专家组介绍总体技术和技术难点
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  U0 K4 Q4 w, s  L# D. C6 [
7 l4 g4 I9 B4 \& w2 L5 u+ V2 F多谢T教授解惑。
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+ g! @! v" t8 h& ?( n还有一个问题：钍的链式反应是吸收一个中子后，最后通过两次β衰变后生成铀-233，这才是裂变材料，但需要至少27天的半衰期。这可以理解为“现在投入的钍燃料需要27天后才能生成有效的铀233，这才是有用的裂变燃料”？
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* v. c4 @7 w! Q" y这段时间在陆地核电站不是大问题，只要保持长期稳定运行就行，但对于需要随时增减功率的舰用堆好像很不方便。
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这个问题有办法解决吗？把铀233分离出来储存，用的时候再投进去？这东西怎么储存，只能分开小罐储存？需要考虑临界质量什么的吧？或许分离纯度低于临界值，就不会有自发链式反应问题，这样就便于存放，像铀堆的燃料棒不会自己就链式反应一样？

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三力思

晨枫 发表于 2025-11-24 01:07
多谢T教授解惑。

* e) P* p4 i+ o- q" V还有一个问题：钍的链式反应是吸收一个中子后，最后通过两次β衰变后生成铀-233，这才 ...

钍反应堆核心里的铀-233只能停堆后分离，不可能实时分离。现在的设计就是利用铀-233继续反应变成自增反应堆。

晨枫

三力思 发表于 2025-11-23 12:13
钍反应堆核心里的铀-233只能停堆后分离，不可能实时分离。现在的设计就是利用铀-233继续反应变成自增反应 ...

: k1 ~( v: b, h' v) a那现在的钍燃料后处理是干什么的呢？
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$ j: ^0 Z# F: i1 p4 Y) |! r既然是循环的，为什么需要停堆才能分离？

pcb

testjhy 发表于 2025-11-23 19:19
" J' C" @  p5 Y& X8 N铀堆的原理您是正确的，压水堆就是如此高功率的传输，必须高温高压防止沸腾，因为气体的传热效果大幅度下降 ...

运行压力对于容器设计很关键呀

testjhy

三力思 发表于 2025-11-24 02:13
: j- N6 C6 }4 D" I" x: j钍反应堆核心里的铀-233只能停堆后分离，不可能实时分离。现在的设计就是利用铀-233继续反应变成自增反应 ...

% P# D' W' Y9 D  E现在是利用在线分离注回熔盐的。不知化学方法有什么高招，不至于用类似离心机物理分离。

testjhy

pcb 发表于 2025-11-24 05:17
  }3 J0 l6 c& ?) h  u% R" C. u运行压力对于容器设计很关键呀

现在还是2MWt，换热简单，10MWe，换热的要求还不强，如果100MWe，两边换热压力可能才真正体现出来。

testjhy

晨枫 发表于 2025-11-24 01:07
多谢T教授解惑。

还有一个问题：钍的链式反应是吸收一个中子后，最后通过两次β衰变后生成铀-233，这才 ...

一切都是在摸索中，我与您完全一样只能推测，如果钍堆上舰，制造基本差不多的时候，是不是有一个预热阶段，就是有一、二个月启动过程，把链式反应基本维持住才出海试验。中子发生器应该是长期存在的，万一发生应急情况，熔盐进入应急罐，事故处理完还需要复杂的重启过程。

3 s  _+ o5 s  d* E- i7 R& j就象美国的核动力航母一样，由于美国一家独大，航母被攻击特别是核动力系统受损后怎么处理，估计都只有理论预案。

晨枫

testjhy 发表于 2025-11-23 16:26
现在是利用在线分离注回熔盐的。不知化学方法有什么高招，不至于用类似离心机物理分离。 ...

这个可能是关键技术，网上是看不到的

dopplermaxgamil

晨枫 发表于 2025-11-24 06:53
( Y7 q3 B: s" y  r+ y7 x: @这个可能是关键技术，网上是看不到的

看网上（不保证他们说的准确）视频讲，在线加入氟气提纯核反应原料，不太看得懂。基本思路是一个在线的高效化学提纯工厂，估计产线辐射很强。
钍熔盐反应堆本身尺寸不是很大，但是加上在线提纯生产线，这个总体积就比较夸张了。目前看装舰有困难。

沉宝

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dopplermaxgamil 发表于 2025-11-24 11:59
看网上（不保证他们说的准确）视频讲，在线加入氟气提纯核反应原料，不太看得懂。基本思路是一个在线的高 ...

9 [% s# L. `0 m4 o, |' p
熔盐堆里面的熔盐，主要成分是富含氟的复杂金属盐的混合物。从铀的角度来看，鉴于四氟化铀是常见的铀化合物，并且沸点超过1400°C，所以我们不妨把待处理材料简化为四氟化铀+其它，以方便思考。

在线加入氟气提纯核反应原料

这一步，四氟化铀+氟气 -> 六氟化铀
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! D' C  v" K1 G& ^. ]! x7 n9 N9 s- a神奇来了，六氟化铀沸点56.5℃，三相点温度约64.5～64.8℃，所以常温常压下是固态直接气化（升华）。以熔盐堆的温度，显然六氟化铀会以气体的形式与其它材料分离。
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9 a0 C' q1 Y% R3 i# z3 W9 w1 Q3 I铀233的回投：
% z9 ~( c! c' p" X; A六氟化铀+氢气 -> 四氟化铀+氟化氢
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- j# h; O8 p8 u5 W1 H# j铀233的储存：
将六氟化铀蒸气导入小罐，冷却后得成为固体，即可长期保存（不考虑铀233半衰期的前提下）。想用时再适当加热即可。

沉宝

testjhy 发表于 2025-11-24 06:26
, ]9 r4 z1 Q: b/ t1 s现在是利用在线分离注回熔盐的。不知化学方法有什么高招，不至于用类似离心机物理分离。 ...

1 I* _6 l4 ?& P( P教授 lost focus了。熔盐堆需要的是铀与钍、镤以及其它物质的分离（只有铀233才是燃料），完全可以通过化学方法实现。而传统的铀堆，需要在铀235与铀238之间做分离，显然任何化学方法都无效，只能用离心之类的物理手段分离。