钍熔盐堆的优点很多,10年内可用在航母与核潜艇上?

2023-12-15 23:15:03   

第4代熔盐堆是当前的动力热点之一。而且既然已经有将其堆型未来应用在大型集装箱船上的设计,那么能否同样运用在新一代的超级航母与核潜艇上?这种可能性是很大的。那么为何过去没有这种设计,当前也仅仅进行到陆地中期测试阶段呢?这主要在于熔盐堆的原理与技术优缺点所决定。熔盐堆,特别是以放射性钍元素为主要燃料的堆型之所以归类为第4代先进反应堆,主要在于其安全性极高。与同为第4代的高温气冷堆一样,也就是从核反应的原理阶段,就可以避免绝大多数安全风险。这是过去的所有压水堆与沸水堆都做不到的。当今80%比例的民用大型核电站,以及几乎所有的航母与核潜艇上现役的核动力系统,都是压水堆的设计。为何叫做压水堆呢?就在于这类堆型,最终推动汽轮机,

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进行对外机械做功以及用来发电的介质,都是经过加压后的纯水。纯水在一个大气压下,到100摄氏度就会沸腾。如果给纯水人为加大内压到几个甚至十几个大气压,那么即使加热到三四百摄氏度都不会沸腾。这种压力水可以作为反应堆的二回路,从一回路中置换更多的热能并且循环传递出来;所以这类反应堆就叫做压力水堆,简称压水堆。压水堆的好处是能量密度高,便于工业化管理。所以当今全球运行的反应堆中,超八成都是压水堆。不过压水堆从原理与设计上就天生有两大风险:第一,就是控制核反应强度的减速棒,必须从外界向堆芯进行机械插入。在这个插入过程中,如果出现突然卡住的状态,或者因为突然断电导致减速棒无法插入,那么压水堆的堆芯的核反应,就立即出现不可控的状态。

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此时堆芯的反应温度会从正常状态下的不到1000摄氏度,迅速上升到2500到3000摄氏度,这个极端高温会很快将堆芯燃料棒及其外壳快速熔毁,甚至把反应堆的外金属壳也直接烧穿,导致核心区的核燃料大量外泄,那么灾难性的核事故将不可挽回。第二大风险,是压水堆的冷却回路,都需要外界的循环泵不断循环降温。靠纯粹的自循环降温是不能长期正常运行的。但是如果外界的循环泵失效或者突然断电,那么在内部冷却剂不足的情况下,堆芯同样会迅速升温升压,开始蒸发掉大部分冷却剂,同样导致堆芯暴露熔毁的下场。而所有4代反应堆,就是要从原理与设计上,天然避免以上两大故障来源。首先熔盐堆的堆芯不是压水堆的固态核燃料棒,而是把铀或者钍等核燃料直接熔化在氟盐类的熔液中进行反应。

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这样整个堆芯本身就是全液态的。对堆反应强度进行调节的也不是外部插入的减速棒,而是让纯石墨直接呈现颗粒状,自然分散在堆芯的熔盐中,因此堆芯本身就是“一锅汤粥”的流体态。这锅不断进核反应的热汤对外传输能量的介质也不是压力水,而是二氧化碳。二氧化碳化学性质非常稳定,也不能轻易的携带放射性质子与中子;并且作为气体,可以直接对外做功。如果需要停堆,那么终止对外传输能量的二氧化碳的循环即可。此时堆芯的温度会快速升高到1500摄氏度,快中子反应增多;而且减速石墨本身就在一锅汤里面,就会导致链式裂变反应反倒无法持续下去,堆芯本身的核反应就自动停止了。可见熔盐堆既不需要外界强制性的插入减速棒,也不需要不断的强制外循环带走堆芯的多余热量,

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因此几乎永远不会发生压水堆的堆芯熔毁事故。而熔盐堆的单位功率密度基本不会小于传统的压水堆,也适合高能小型化后用在水面舰船与水下的核潜艇上。熔盐堆因为堆芯是常年液态的流体,比纯固态的压水堆理论上更容易中期换料;甚至在不完全停堆的状态就能完成换料大修。另外一大好处是可以用地壳储量更大的钍作为燃料,而不是用更稀有的铀。当然熔盐堆也不是没有缺点:第一是固态石墨在液态堆芯中长期积累,容易堵塞管道。这个问题可以通过优化设计方案来解决。第二个更大的缺点,是熔盐中容易产生大量的氟化物,尤其是强污染的氟化氢。这是一个最头疼的难点问题。历史上有些试验熔盐堆已经停堆20年之久,内部仍然有氟化氢气体冒出来。如果能彻底解决这个风险,