釷基熔鹽堆可成中國核航母動力

一、核動力趨勢

   核動力航母最重要的問題是採用何種反應堆?美國最新的核動力航母福特號採用的是A1B核反應爐，它是貝泰船用推進公司為船艦設計的第一代核反應堆。之前的航母主要採用的是西屋公司的A2W、A4W核反應堆，這些基本上都屬於第二代和第三代的壓水堆。壓水堆體積大得多，要在航母上開一個可整體更換的口，在艦體強度和佈局安排上都做不到。美國航母理論上平時可做到全壽命期內不更換動力，但是到了戰時，維修很麻煩沒有花幾年很難修好。但是反應爐如果換成像熔鹽堆那樣緊湊可整體更換的，不用耗時維修直接換個新的，舊的放在陸地上慢慢修，核航母可以很快恢復戰鬥力。相對於現有的航母，這是一個跨世代的進步。相對於壓水堆，這是熔鹽堆為核動力艦船帶來的一個前所未有的好處，就像電磁彈射取代蒸氣彈射般，中國想要彎道超車美國核動力航母，就須提升核反應堆性能。在第4代核電方面，中國已成功在甘肅武威運轉了全球首個釷基熔鹽堆。中國江南造船廠24萬噸級釷基熔鹽堆貨櫃船已開始建造，加上甘肅武威兩兆瓦釷基熔鹽堆的運轉，代表中國釷基熔鹽堆已開始實用化，顯示釷基熔鹽堆在小型化，安全性和實用性方面取得突破性進展，未來也可能裝備於核動力航母。釷基熔鹽堆使用釷元素作為燃料，對中國而言具有戰略意義。中國缺乏鈾，但釷資源豐富，高居世界第二。如果再考慮到中國在中壓直流電磁射器領域的領先優勢，再加上殲-35和空警-600的後發優勢，再過10年，中國在核動力航母領域將領先美國。

   2023年12月5日，江南造船公司發表全球首型、全球最大24000TEU級核動力貨櫃船船型設計。該船採用釷基熔鹽堆作為動力，超臨界二氧化碳發電機組發電，安全性較好。熔鹽反應堆的一迴路使用氟化鹽作為介質，經過二迴路氟化鹽冷卻後，再傳遞給使用純水或二氧化碳作為介質的三迴路，從三迴路導出熱量給汽輪機用於發電，發電後再帶動電動馬達經由傳動軸系，帶動螺旋槳推進。江南造船廠的KUN-24AP核動力貨櫃船是中國第四代核電技術首次應用在民用船舶上。關於第四代核電技術，目前中國處於世界領先地位。如果採用釷基熔鹽堆，核動力系統的體積和重量也會進一步大幅縮減。重量和體積一定會大幅優於常規動力系統。不光是釷基熔鹽堆的體積和重量大幅縮小，核動力航母通常配套的蒸汽渦輪機也被超臨界二氧化碳汽輪機取代。超臨界二氧化碳汽輪機相對於傳統的蒸汽渦輪機，技術優勢非常大，不但效率高且體積非常小。超臨界二氧化碳汽輪機的體積只有蒸汽渦輪機體積的三十分之一。可以大幅壓縮核動力系統的體積和重量。所以江南廠研發的這套貨櫃船用的核動力系統其實也非常適合核動力航母使用，而且釷基熔鹽堆核和超臨界二氧化碳汽輪機配套，整體的工作效率非常高。熱電轉換效率能接近50%，遠高於現有航空母艦上所使用的核動力系統。現有的軍用核反應爐的效率只有在20%-25%之間。中國研發的玲龍一號第三代一體化反應器的效率已提高到33%。釷基熔鹽堆和超臨界二氧化碳汽輪機組合的性能優勢非常明顯。如果用上這套動力系統，那麼新世代核動力航母動力的體積和重量一定會遠優於常規動力系統。

二、釷基熔鹽堆的優點

    中國大陸的鈾儲量極少，2021年中國產出的鈾僅1800噸，而進口量卻高達13,000噸。如果在發電過程中過於依賴鈾，那麼就會受制於人。釷元素是一種既常見的放射性元素，也是重要的核能資源。一噸釷的能量相當於200噸鈾，350萬噸煤，能夠輕易提供十億千瓦時的電力。同時，相對於鈾，釷具有安全穩定的優勢。自然界中的釷元素基本上都是釷232，它吸收一個中子後，再經兩次衰變，就可以轉化為鈾233，就可以用作核燃料了，這個過程被稱做「釷鈾循環」。釷資源在地球上是非常豐富的，在地殼中的含量是鈾的3倍，中國的釷儲量僅次於印度達28.6萬噸，光是內蒙古的白雲鄂博礦就有22萬噸，佔了77.3%。釷儲量豐富且較易提取濃縮，一旦中國採用釷基熔鹽堆作為未來航母的核動力，瞬間就在航母核動力技術上領先美國。釷基熔鹽堆的優點是高度安全，而最突出的優點是小型化能力非常強適宜艦船使用。隨著中國宣佈建造核動力破冰船後，江南造船又要建造世界最大24000TEU級核動力貨櫃船的設計，而且採取第四代堆型熔鹽反應堆，其總噸位是23萬噸等級。近八萬匹馬力，航速約22節左右。這證明中國在核動力艦艇領域終於現實了技術突破，那麼中國下代核動力航空母艦幾乎沒有瓶頸了，甚至還能對美國核子航空母艦完成超越。釷基熔鹽堆的優點廢棄物少且安全。當反應爐發生燃料洩漏等故障時，洩漏的熔鹽會迅速冷卻凝固，呈現固體態，不容易擴散，方便處理。當熔鹽堆內熔鹽溫度超過預定值時，底部的冷凍塞自動熔化，核燃料熔鹽流入緊急儲存罐，核反應器就會停止運作。

    除了含量高以外，釷元素還具有環保的優勢。在傳統的核電廠中，極為容易出現核廢料，而釷元素在生產、運作的過程中，產生的核廢料處理相對容易處理，對環境比較友好，是真正的清潔型能源。釷基熔鹽核反應器的優點非常大：一是後產生的放射性半衰期短，污染少。二是安全。當反應爐發生燃料洩漏等故障時，洩漏的熔鹽會迅速冷卻凝固，呈現固體態，不容易擴散，方便處理。當熔鹽堆內熔鹽溫度超過預定值時，底部的冷凍塞自動熔化，核燃料熔鹽流入緊急儲存罐，核反應器就會停止運作。釷基熔鹽堆因為不需要使用大量水來配合工作，完全可以建在內陸，甚至可以建在地下，所以熔鹽堆又被稱為「可建造在地底下的反應器」。釷基熔鹽堆具高轉換比，高功率密度，燃料組合耗費低，用起來非常省錢，這也是能夠商業化應用的前提。僅從原理上講，一座熔鹽反應器生產的燃料在運行幾年以後還可以重新再裝備一座新的反應堆，具有極高的經濟性。最重要的是釷基熔鹽堆體積小易於安裝上艦。熔鹽反應堆的高安全性、經濟性、設備的小型化，預示著中國下代核動力航空母艦獲得了幾乎完美的動力解決方案。

三、中國釷基熔鹽堆核電站獲得運轉許可

   中國科學院上海應用物理研究所已獲得釷熔鹽反應堆的運轉許可證，該反應堆於2018年 9月在甘肅省武威市開工建設。該反應堆轉化率約為 0.1。使用含 99.95% Li-7 的富鋰鈹氟化物覆蓋層，燃料為UF4。熔鹽堆是第四代反應堆其中一種，用融鹽當冷卻劑替代水冷卻，不會發生爐心熔毀事故非常安全。依據自然雜誌報導，中國的釷基熔鹽堆使用氟化鹽。當加熱到 450°C 左右時，它們會熔化成無色透明液體。這種鹽相當於反應堆堆芯的冷卻劑。此外，熔鹽反應堆也使用液態鹽作為燃料的基質，例如直接溶解在堆芯中的釷，而不是固體燃料棒。熔鹽反應堆具有非常高的操作安全性。燃料溶解在液體中，這些反應堆在比傳統核反應堆更低的壓力下運行。中國使用新型材料解決燃料鹽對管道的腐蝕作用，製造出了耐中子輻照性能的管道材料。熔鹽堆的優異性能主要來自其複合熔鹽冷卻劑的高沸點等物理化學特點，熔鹽還可以用在太陽能集熱、大規模熱能存儲和大功率電池等，熔鹽堆的廣泛使用將給能源帶來革命性變化。釷熔鹽反應堆的冷卻劑是複合型氟化鹽，不像鈾反應堆或輕水反應堆那樣，需要使用大量的冷卻水，所以它不需要像傳統核電站那樣，建在江河湖海邊，內陸地區、沙漠、山區、乾旱及高原地區都可以興建。釷熔鹽堆輸出的700攝氏度以上高溫可用於發電、工業熱應用、高溫制氫、海水淡化及氫吸收二氧化碳制甲醇等，可以有力緩解碳排放和環境污染問題。隨著我國科技水平的不斷發展，未來釷反應堆將會有更多的應用場景。另外也可用於太空用途，釷反應堆可以小型化，安全性高，可用於宇宙飛船。

  十多年來，中國為釷熔鹽堆項目開發投入了超過5.35億歐元，隨著甘肅武威釷基熔鹽堆成功運轉，中國將成為第一個有機會將該技術商業化的國家，這項技術突破將讓人類享有更豐富更安全的能源，中國承諾2060 年實現碳中和的目標，可考慮用釷核反應堆取代目前燃煤和燃氣發電廠的鍋爐。一噸釷足以為一個熔鹽反應堆供電一年，地球的釷儲量可以供應世界數万年的能源需求。釷成本低，每噸約 250,000 歐元，或 0.029 歐元/兆瓦時，而鈾約 10 歐元/兆瓦時，釷每生產 1 兆瓦時便宜約 350 倍。與傳統反應堆相比，它還有可能產生更少的長壽命放射性廢物。總體積可能比傳統反應堆少約 35 倍，以產生相同數量的能量。99.99% 的廢物將在 300 年內保持穩定，而不是目前燃料的數万年。