关于钍堆上舰：再请T教授、沉宝兄和其他爱友指教

晨枫

' W" s, N8 `4 L5 Q% U1 M2 I, I
6 k4 |( }) ~8 G+ z% W! q: m把@testjhy T教授、@沉宝 “沉宝”兄和其他爱友（呃，听起来有点油腻？）的指点和自己的理解汇总一下，欢迎各位继续点评指正。

中国航母核动力成月经话题了。个人认为，近期最可能的还是批量建造003的改进型：舰体适当拉长，解决1号弹射位与前升降机和2号弹射位与斜甲板冲突的问题。动力方面，需要就增加一点功率，如果电弹足够给力，损失一节两节可能也能接受。如果设计改动控制得好，可能航速损失低于一节两节，那就更没问题了。

批量方面，可能再造至少3艘常规动力航母，发挥一点规模经济效应，更重要的是迅速形成战斗力，6艘航母就好用多了。干什么用，就发挥想象力吧，这里不多扯。
: u( P  [' v: r
另一方面，近期上马核动力航母，只能是铀堆。中国核电发展很快，但核电铀堆与舰用铀堆是两路不同的技术，好比民航高涵道比涡扇与战斗机低涵道比涡扇是两回事一样。

铀堆的使用、维护麻烦一堆，未来有一天退役，无害化的问题更大。苏联核潜艇在冷战结束时大批报废，当年没钱、没心思管无害化问题，现在有害化的危险越来越大。中国不会做这种“拆烂污”的事，但什么铀堆的报废、无害化都是麻烦事，这一点不会改变。

/ t- S5 r2 J8 x$ K! j( D8 F& r& D钍堆现在还在初级阶段。目前的小试堆是2MWt（t指热功率，不是发电后的电功率），正在设计的是10MWt的中试堆，100MWe（e指电功率，这是能送入电网的功率了）什么时候落地还不知道，貌似国家规划也要到2035年。比照福特级，两座350MWt的铀堆，电功率200MWe。钍堆要达到这样的功率还要上舰，没有10-15年不大可能。

; V2 ]' S/ V( I7 r2 m# g1 y4 ^钍堆有两个问题。第一个问题是热交换。熔盐的工作温度高，压力低，这是好事。腐蚀性超强，这是坏事，燃料熔盐还带有强烈的放射性，这是坏上加坏。
  C* x% m2 s  P3 y+ f4 a. \
4 M7 }7 x0 Q0 _9 j在理论上，熔盐堆只需要两个回路，就像压水堆一样，一回路通过堆芯，带放射性，差别是核燃料的形式，铀堆是固体的燃料棒，与一回路水只有肌肤之亲，没有盐水之融，而钍堆是液体燃料，铀钍燃料溶解在熔盐中，但从传热角度来说，两者没有区别；二回路从一回路取热，不带放射性，驱动发电机。事实上，钠冷快堆就是这样的。

% G' N/ t) \  Z5 ~7 R1 q
7 f6 z$ f6 _0 O' ]
液态钠具有传热速率和热容量特别高的好处，但一怕冷却后凝固，二怕遇水爆炸。这两点熔盐其实也有，只是没有那么极端，爆炸也改成腐蚀。钠冷快堆有游泳池式设计和直接设计两个大路子，熔盐取代液态钠后，大体可以照搬设计。也就是说，可以双回路。差别是，在熔盐钍堆里，钍燃料由流动的熔盐携带进入和离去堆芯，堆芯里除了用作中子发生器的少量铀235，没有“分裂核心”（就是燃料棒），而增殖覆盖（绿色）直接溶解在循环的熔盐里。事实上，钍堆也是增殖堆，只是常规的增殖堆是把铀238吸收中子后增殖到钚239，而钍堆里是把钍232增殖到铀233。

* Z/ }+ G1 J4 a* m但钠冷快堆大部分都停了，因为钠与水太八字不合了，几乎所有钠堆都有过漏水爆炸的问题。现在的重点转向铅冷，这解决了钠堆的很多问题，但带来不同的问题，这里不多扯。

当然熔盐也有特殊问题。高温熔盐能溶解金属表面的保护性氧化膜，使金属基底暴露出来并被氧化。镍基合金、特种不锈钢、陶瓷涂层的保护作用都不是绝对的。如果一切理想，单从隔离放射性来说，并无必要增加冷却熔盐回路。但考虑到实际的腐蚀和泄漏问题，这又是必要的，所以熔盐堆实际上采用三回路，在燃料熔盐回路和动力水回路之间，增加冷却熔盐回路。
+ _* ^$ [# Z  H/ o% C


2 j! N# V. j9 W燃料熔盐回路的温度高、压力低（接近常压），水回路的温度低（相对而言）、压力高。加上强腐蚀工质，这使得一回路换热器管壁的压力工作环境很不友好，绝对防漏很难做到。增加的冷却熔盐回路未必采用与燃料熔盐回路相同的熔盐，实际上采用对水和燃料熔盐都化学中性的专用冷却熔盐更好，降低微渗漏的危害。在工作压力上，可能也介于燃料回路和水回路之间，降低压力差，减少开裂和渗漏。

5 y4 K6 H% G' s$ X5 M4 [; p, L' v这是工程考虑，不是原理上的必须。在高压泵的轴承密封上有时也用类似思路的设计，用中等压力的“液封隔套”在轴承的高压液端和常压环境之间缓冲一下。
, ^9 |/ n1 L# w  T2 @6 E
# h. W7 ~0 M1 N" f/ c! b9 s$ Y# Y0 m至于第三回路（相当于压水堆的二回路）是用水还是超临界二氧化碳，这就要看设计了，在理论上都可以。水也是可以超临界的。二氧化碳的化学性质与水截然不同，熔盐与二氧化碳接触会发生什么化学反应不大清楚，是否依然需要冷却熔盐回路现在还说不好，但腐蚀问题依然存在。二氧化碳在7.38MPa和31C就达到超临界，但热工循环的压力和温度会高得多。“超碳一号”示范机组的工作压力达到23MPa，与通常用水的火电系统的22MPa差不多，但超临界水回路的话，压力就高达31MPa以上了。从压力差的角度来看，超临界二氧化碳还是有问题，还是用冷却熔盐回路隔离一下比较有利。

三回路肯定增大系统体积和重量，但是否就此排除上舰可能，只有更加详细的工程设计才能确定。毕竟钍堆对防护壳和紧急冷却的要求大大降低，减重不是一点点。
& F5 A% Y6 K& O6 c, |, J, J& S
7 P  T$ A# U( c' Y! c5 T第二个问题是钍232到铀233需要27天半衰期的问题。

钍堆以熔盐堆为主。也就是说，钍燃料由熔盐携带，在循环中进入堆芯，受到中子轰击，在两次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。成为铀233后，就相对稳定了，半衰期近16万年，实际上就是地老天荒了。

2 G. p8 v. C; D

) n" @2 x; p- x4 M3 d/ J这可以理解为“现在投入的钍燃料需要27天后才能生成铀233，这才是有用的裂变燃料”。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很不方便。
) d8 R* ^3 l, t5 X! z2 T
2 x+ f0 k" r, g2 W铀可以溶解与氟化物熔盐中的四氟化铀的形式存在，沸点超过1400℃，所以在熔盐里稳定，不会“擅自”气化。四氟化铀通入氟气：

四氟化铀+氟气 -> 六氟化铀

  o( b& z- a; G六氟化铀沸点为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）。换句话说，在熔盐堆的工作温度下，六氟化铀会以气体的形式与其它材料分离。

0 t; u( h0 b( h0 m/ e4 E1 {$ d换句话说，在燃料熔盐回路里注入氟气，将四氟化铀转化为六氟化铀，在进入堆芯受热时，六氟化铀气化，脱离燃料熔盐流，这就是在线分离的基础。
- J% d; W  b, U* R
$ _; g& A' u5 g1 N1 \5 G2 T! a回收后的六氟化铀蒸气导入小罐（必须低于临界质量，否则就当场现颜色了），冷却后成为固体，即可长期保存。如前所述，铀233的半衰期长达16万年，对人类来说，理论上几辈子都不用担忧“过期”的问题。需要用的时候，把存放的六氟化铀加热气化，再通入氢气：
  ?- o( `; C) d+ ~/ c( z7 |4 C
' S: r0 T0 _3 G! e1 E7 B0 B六氟化铀+氢气 -> 四氟化铀+氟化氢

也就是说，钍堆有卖炭翁和柴禾妞两个角色。从钍232增殖为铀233是卖炭翁的角色，把木头烧成炭备用；从铀233裂变发电是柴禾妞的角色，用炭生活做饭。钍堆凑巧是双体合一了。在连续运行中，一面从钍232生产铀233，并以六氟化铀的形式存放起来；在需要增加反应堆出力的时候，把六氟化铀转化为四氟化铀再添加到燃料熔盐回路里，就好比给反应堆加油门了。

+ W! k2 ^- G: a1 j! i0 ]当然，氟化氢就是大名鼎鼎的氢氰酸，这是已知最强的酸，腐蚀性惊人。加上熔盐本身的腐蚀性，这是钍堆最大的工程挑战。
/ |  j  N' l# b" h
据说江南厂设计的钍堆集装箱船上，钍堆系统需要每15-20年停船翻修，才能在抗腐蚀方面“再管15-20年”。
  P/ S; a0 Y: L! D7 Q/ [
: ^/ H1 B0 b+ |# u' \' T7 j但最重要的是：钍堆上舰没有理论上的不可行性，在工程上，江南厂也证明了原理可行性，尽管现在还没有物理打通整个技术路线。