再谈钍堆上舰

​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。

另一方面，近期上马核动力航母的话，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。

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。但上海应用物理研究所2016年一篇综述文章里，提到国家计划要到2050年才达到商用。不管哪一个时间点，都不是近在眼前可能做到的。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，没有至少10-15年不大可能。

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。

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，而不是盐溶于水，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。

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；可以游泳池式，也可以直接式，前者更安全，后者更紧凑。

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。确实，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。

但钠冷快堆现在陷入低速发展，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，在燃料熔盐回路和发电回路之间，增加冷却熔盐回路。

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。

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。

但抗腐蚀从来是一个速率问题，不是“行”、“不行”的问题。也就是说，在特定工况下，如果壁厚能保证在X时间里不少于Y毫米，这就达到抗腐蚀的要求，而不是X年后完好如初。在这方面，有传闻中国已经做到在多少时间里达到多少毫米以内，如果可靠，这有可能意味着双回路的可能性，这将大大减少系统的体积和重量，对上舰是有利的。加厚壁厚当然是另一个办法，但壁厚太大，影响传热，也不行。

另一个问题是回路数。钍堆需要四回路的说法很盛行，如果四回路指发电回路的冷凝器，那是对回路的误解，那只是冷凝器而已，不是单独的回路。

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。现有试验堆更多用氦。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隔离现在还说不好，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。从压力差和抗腐蚀的角度来看，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。

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。

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。

铀可以溶解于氟化物熔盐中，以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。四氟化铀通入氟气的话：

四氟化铀+氟气 -> 六氟化铀

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。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，在堆芯中受热时，六氟化铀气化，在离开堆芯时脱离燃料熔盐流，这就是在线分离的基础。

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：

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，用炭生火做饭。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。

这中间有分离设备，在流程上有点小复杂。但以流程设备数认定全系统体积超大，这就武断了。以化工厂为例，同样流程图上一件设备，大小重量天差地远。一台裂解炉差不多可以和国际饭店一样高大沉重，但一台汽水分离器可以只有中巴大小，所以不看设备具体性质就以设备数推断系统大小是不对的。所谓钍堆功率密度低于光伏、风电更不靠谱，这是怎么比出来的？比占地？比设备总重量？武威只是比零功率大一点的试验堆，用这作为功率密度的比照肯定不行。商用钍堆发电如果功率密度还不及光伏、风电，那发改委和中科院的人该去领盒饭。

当然，氟化氢遇水就成为氢氟酸，这是已知最强酸之一（呃，说“之一”是怕打脸，还有一样强或者更强的酸吗？），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。

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，估计需要把熔盐回路的相关设备都拆换，才能在抗腐蚀方面“再管15-20年”。钍堆上舰的话，也免不了这个问题。

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。