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钍基液态燃料熔盐堆:中国10万吨核动力航母的关键词

2024-01-01 17:05:04

呃,不是刚说要大造65000吨常规电弹航母,怎么又说10万吨核动力航母了?没错,这是既要又要,不是非此即彼。不仅形成有用的高低搭配,还在关键的过渡期就形成足够的数量。数量本身就是质量的一部分。

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。




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?

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。

还有人质疑:钍堆功率密度低,上舰的体积和重量太大。

这些都是有道理的质疑,但是还是有一个但是。

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。

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。

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。

钍堆有熔盐堆和球床堆,现在的主流是熔盐堆。

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。

典型熔盐堆示意图。冷冻阀是本质安全的关键,一旦核反应失控,熔盐温度过高,冷冻阀融开,燃料熔盐自动流入紧急排放罐,堆内核反应自动停止;低放射性的钍燃料不足以自我维持链式反应,在罐内也由于熔盐降温而自动凝固,不会造成泄漏和放射性危害

中国熔盐堆示意图

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。

铀燃料棒需要一定的丰度,才能使用足够长的时间,“尼米兹”级的换燃料周期为24年。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,但可以50年不用换燃料,基本上就是可以一直用到退役都不换燃料了。因此,铀燃料棒都是封装在反应堆内的,换燃料很麻烦。

但钍基熔盐堆不管是循环的,还是静态的,燃料熔盐是可以流动的,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。

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,动辄3-5年“搁浅”在船坞里。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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?

用到核动力航母的话,那就真是领先美国一代了。

核动力航母海试有必要的。核动力的无限航程其实不重要,舰载机的燃油、护航舰队的燃油都需要补给,光核动力航母自己裸奔是没用的。电弹也不是只有核动力才能提供的,003就不是核动力。电弹需要的是很大的峰值功率,这要靠储能解决,而不是发电能力。核动力解放了大量的空间和容积,可用于舰载机燃油和弹药,这是实质性提高战斗力的。

常规动力到85000吨就差不多到头了。更大的吨位对常规动力的压力太大,大量增加锅炉将过度占用舰上的吨位和容积,得不偿失。美国在60-70年代早就研究过这个问题。但更大的吨位是需要的,甲板更加宽大,出动率更高,舰载航空燃油和弹药也更多。核动力也降低海上补给的压力,尤其是吨位增加到10万吨的话,否则补给舰、舰队油船光支持航母了,其他需求都无暇顾及了。

上马核动力航母与65000吨常规电弹航母矛盾吗?不矛盾。

首先,造价差别依然存在,用数量平衡质量永远是建军的王道。其次,钍堆技术成熟还需要时间。这不是解决了理论和设计问题就可以大干快上的。钍基熔盐堆最大的技术难题是腐蚀性,熔盐具有很高的腐蚀性,带放射性的腐蚀性更难伺候。即使技术上认为解决了,也需要足够的时间来检验,不能侥幸心理。回到铀堆当然技术更加成熟,但铀堆RCOH的问题又回来了,这才是弯路。

在这段时间里,大造相对低成本的65000吨常规动力电弹航母作为过渡,待核动力航母入伍时,也可以高低结合,既要质也要量。用空军做比照,没有因为有了歼-20,就不要歼-10C、歼-16了。各有各的用处。

大造003/004当然也是选项,但一有造价高得多的问题,二有电弹出动率实际上不比65000吨高多少的问题,作为高低搭配的低端,有点太豪华了。

到2040年,“辽宁”号和“山东”号应该接近服役后期了,但核动力航母也该就绪了,期间则造4-6艘65000吨常规电弹航母(相当于常规动力的法国下一代PANG航母,战斗力并不弱)填补,再加2艘已经成熟的003、004,这是很可观的战斗力了。

相关阅读:003/004之后,批量制造65000吨常规电弹航母如何

在海军战略里,存在是很重要的。不能做到存在,就谈不上海军战略。中国海军曾经在南海存在,所以太平岛称为太平岛,成为中国的南海国土,尽管眼下在台湾当局控制之下。同样的还有东沙群岛。中业岛也一样,但1971年因为台风而撤出,没有及时返回,就被菲律宾占领了。要是中国海军在70年代就能在南海有现在一样的存在,南海问题就简单得多了。

航母是最强大、最有效的海上存在。

在西太平洋、南太平洋、北印度洋常年部署中国航母战斗群,对地区安全有巨大意义,也对美国海军是巨大挑战。再用“伯克”级驱逐舰搞“航行自由”的挑衅是自找没趣,用更大的核动力航母对峙根本跟不过来。是时候中国用航母战斗群“航行自由”了。