ACP100是军转民技术成果
近几年随着我国核动力破冰船、海上核电站、核动力集装箱船、核动力航母等核动力船舶不断传出研制和建造的消息。第三代一体化反应堆和第四代钍基熔盐堆等先进反应堆逐渐成为大家关注的焦点。第三代一体化反应堆和第四代钍基熔盐堆哪个更适合作为船用动力？钍基熔盐堆现在是否就能上船使用？我们就结合我国玲珑一号模块化小型反应堆和江南造船厂的钍基熔盐堆来讨论一下这些话题。
ACP100采用一体化设计比国外目前采用的紧凑型反应堆更先进
说到船用动力堆，对我国来说目前最理想的堆型是第三代一体化压水堆。因为我国研制第三代一体化压水堆比较早。在2011年左右就开始研制ACP100模块式一体化压水堆了。ACP100是陆地上使用的，在ACP100基础上发展过来的船用版本是ACP100S、ACP25S、ACP10S等型号。
一体化反应堆性能相对于紧凑型反应堆可以大幅提高
ACP100S的陆上模式堆试验成功是在2018年左右。预计我国核动力破冰船和海上核动力发电船用的可能就是ACP100S这个型号。也就是说其实反应堆很早就准备好了，ACP100S在2018年左右就具备装船条件了。因为ACP100是军转民的成果，所以其军用原型堆完成研制时间更早。完全不影响用在我国新一代核潜艇和核动力航母上。
超临界二氧化碳的循环效率要大于水蒸汽
相对于第三代一体堆来说，其实钍基熔盐堆是更理想的船用动力堆。主要表现在几个地方。首先是热效率高。压水堆的热效率在30%左右。典型三代一体压水堆ACP100的热效率是33%。但是钍基熔盐堆的热效率可以达到45%-50%。这是因为钍基熔盐堆一般采用超临界二氧化碳涡轮机来发电。压水堆之所以效率比较低，是因为水在加热过程中会存在液体吸热相变到水蒸气的过程。热量在这个过程中浪费掉了，并没有参与作功。而超临界二氧化碳在做功过程中不存在相变，所以效率比较高。而且随着工作温度的提高，钍基熔盐堆的热效率还有很大提升空间。
三代一体压水堆ACP100的热效率是33%
不过钍基熔盐堆有个缺点就是堆芯功率密度比较低，大概20兆瓦每立方米。压水堆要高很多，在100兆瓦每立方米。假设反应堆热功率800兆瓦，压水堆的堆芯是8立方米。而熔盐堆就要40立方米。不过这个区别对于整套反应堆系统来说区别不大。因为船用反应堆屏蔽箱体积通常都在3000立方米左右，多这30几个立方米无关紧要。结构优化一下可能就有了。
超临界二氧化碳涡轮机体积只有蒸汽轮机的三十分之一
但是钍基熔盐堆使用的超临界二氧化碳涡轮机体积可比蒸汽轮机小多了，只有蒸汽轮机的三十分之一。我们在核动力船舶上可以看到，反应堆舱通常比较小。而后边动力舱却很大，是反应堆舱的三四倍大。比较占地方的就是两台巨大的蒸汽轮机。如果能把蒸汽轮机的体积压缩到原来的三十分之一。那么动力舱的体积会大幅缩小。如果把全部动力设备都考虑进入，其实钍基熔盐堆动力系统的体积反倒是占优势的。同样的功率综合算下来，使用钍基熔盐堆的核动力系统体积只有使用压水堆的40%-50%的样子。
国外目前使用的二代紧凑型压水堆体积庞大
对于钍基熔盐堆有观点认为必须要四个循环回路才能运行，实际上并不存在这种设计。实用化的液体燃料钍基熔盐堆实际上采用的是三回路设计。比压水堆多一个循环回路。第一回路内核燃料溶解在熔融的氟化盐中。氟化盐既是燃料载体也是冷却剂，而第二回路也是熔融的氟化盐但是不含核燃料，目的只是导热。第三循环回路才是超临界二氧化碳循环回路。之所以要多一个循环回路是因为第一循环回路内的液体燃料是有强放射性的，如果直接过渡到超临界二氧化碳循环回路。一旦管路被熔盐的氟化盐腐蚀就会污染超临界二氧化碳循环回路。
所以中间需要再加一个不含核燃料的氟化盐循环回路作为隔离。这样超临界二氧化碳循环回路的安全就有保证了。不至于污染常规岛设备。压水堆之所以可以少一个循环回路是因为压水堆堆芯核燃料是固体的。而且还有一个锆金属包壳，可以封闭大多数反应裂变产物。裂变产物进入第一循环回路本来就非常少。所以第一循环回路本身就相当于一个隔离回路了。然后换热给第二循环回路就可以保证常规岛的安全了。
甘肃武威的液体燃料钍基熔盐堆
网上也有观点认为钍基熔盐堆需要在线处理核燃料产生的有毒和放射性废物，所以无法在船上实现实用化。这个观点其实也是错误的。可以使用船载离线干法分离模块来处理核废料。船用的液体燃料钍基熔盐可以使用燃料罐和乏燃料罐来解决问题。使用过的燃料可以储存在乏燃料罐中，等退役后再集中处理。理论上可以实现50年服役寿命周期内不用打开压力容器大修。也就是说液体燃料钍基熔盐堆不是不用换料，而是可以根据需要随时换料。但是反应堆容器在安装封闭之后在整个服役周期内就不用打开了。这就相当于压水堆不需要换料大修了。
虽然钍基熔盐堆在技术上有很大的优势，但是作为第四代反应堆其研发进度是远远落后于第三代压水堆的。我国甘肃武威的液体钍基熔盐堆只是个试验堆，而且刚刚建成。这一步只是用于验证关键技术。后续还要建设示范堆，以解决大规模商用之前所有的技术问题。完成这一步预计要到2030年。然后才有可能正式研制船用的具体型号，等到真正能装船投入实际应用可能要到2035-2040年左右了。所以眼下船用的核反应堆最理想的选择仍然是第三代一体化压水堆。
