張平

目前核能的使用以發(fā)電為主，若能用于制氫，不但可以提供大規(guī)模、高效、穩(wěn)定的氫氣供應方案，還可以拓展核能的應用領域，提高經(jīng)濟性。

多國加大核能制氫研發(fā)力度

【資料圖】

核能制氫主要技術路線及其特點簡述如下。

核熱輔助的碳基燃料重整。目前，化石燃料轉化制氫過程中，煤、天然氣等既作為制氫過程原料，又作為吸熱反應的燃料。如果利用高溫氣冷堆的工藝熱，替代化石燃料或生物質熱解或重整制氫過程中作為熱源的部分，可以減少化石資源用量，并降低相應的碳排放。該技術成熟度高，與高溫氣冷堆耦合需要重點開發(fā)基于氣體加熱的甲烷重整器，適于近期或中期布置。

高溫熱化學循環(huán)分解水。熱化學循環(huán)分解水制氫方法可以在相對較低的溫度下（如800攝氏度）實現(xiàn)水分解，具有制氫效率高、易于放大、與高溫反應堆耦合特性好等特點，被認為是最適宜利用高溫氣冷堆工藝熱的核能制氫方法。目前，研究最充分、具有工業(yè)應用前景的過程包括碘硫循環(huán)和混合硫循環(huán)。該方法處于實驗室到中試研發(fā)階段。

高溫蒸汽電解。用高溫氣冷堆或者太陽能技術給系統(tǒng)提供高溫熱、低溫熱或蒸汽，電能消耗可以大幅降低，實現(xiàn)高溫下的蒸汽電解。其優(yōu)點包括：熱力學上需要的電能減少；電極表面反應的活化能能壘易于克服，可以提高效率；電解池中的動力學可以得到改善等。該方法處于實驗室到中試過渡階段。

核電電解水制氫。目前廣泛應用的核反應堆為壓水堆，由于其蒸汽出口溫度約320攝氏度，難以與熱化學循環(huán)、高溫電解、甲烷蒸汽重整等方法耦合，但可以利用核電經(jīng)堿性電解或質子交換膜（PEM）電解實現(xiàn)制氫。在電力過剩、核電經(jīng)濟性好或者需要高純氫氣的場合，可采用核能發(fā)電再經(jīng)常規(guī)電解方法制氫。在這種情況下，反應堆與制氫過程耦合僅通過方便的電力傳輸即可實現(xiàn)。該方法成熟度高，技術上基本不存在障礙，但從核能到氫能的整體轉化效率較低。

核能制氫作為大規(guī)模綠氫制備的有效途徑，受到美國、日本、法國、英國等國高度關注。多個國家紛紛加大研發(fā)力度和產(chǎn)業(yè)化推廣，并給予政策支持。

日本從20世紀80年代即開始核能制氫研發(fā)，在熱化學碘硫循環(huán)方向上進行了深入研究，建成了工程材料制作的實驗室規(guī)模碘硫循環(huán)試驗臺架，并對核能制氫安全性、經(jīng)濟性及制氫廠與反應堆的耦合進行了廣泛研究。在日本發(fā)布的氫能研發(fā)規(guī)劃中，明確將高溫堆制氫作為未來氫氣制備的重要方法。

美國一直在推進核能制氫研究，主要聚焦高溫蒸汽電解、混合硫循環(huán)及碘硫循環(huán)等技術研發(fā)。2020年10月，美國能源部啟動了首個利用核能的高溫蒸汽電解制氫項目。

法國發(fā)布《制氫方法》，明確核能發(fā)電制氫具有可控和無碳雙重優(yōu)勢。法國原子能委員會的核氫戰(zhàn)略是集中發(fā)展可以與核電或再生能源耦合的、能夠可持續(xù)生產(chǎn)的制氫工藝，并對高溫蒸汽電解技術、碘硫循環(huán)進行了深入研究。

英國核工業(yè)委員會通過的《氫能路線圖》提出，到2050年核能制氫將提供英國氫能總需求量的三分之一，計劃使用大型核電站、小型模塊化反應堆和先進模塊化反應堆通過常規(guī)電解、電解高溫蒸汽、高溫分解水等方式制氫。

加拿大國家核實驗室、安大略理工大學等多年來一直致力于與超臨界水堆耦合的銅氯循環(huán)的研發(fā)，建成閉合循環(huán)臺架，并提出開展中試的計劃。

韓國政府也在2005年提出了明確的支持高溫氣冷堆及相關制氫技術的研發(fā)規(guī)劃。印度、俄羅斯等國也都開展核能制氫的研究。此外，國際原子能機構、國際經(jīng)合組織核能署等機構對核能制氫也高度關注，并支持了多個協(xié)調項目。

高溫氣冷堆制氫優(yōu)勢獨特

高溫氣冷堆具有固有安全性好、冷卻劑出口溫度高的優(yōu)點，除發(fā)電外，在制氫、高溫蒸汽供應等核能綜合利用方面具有優(yōu)勢，是第四代先進核能系統(tǒng)的優(yōu)選堆型。我國從20世紀70年代即開始了高溫氣冷堆研發(fā)工作，2001年在清華大學核能與新能源技術研究院建成了1萬千瓦高溫氣冷實驗反應堆，并于2003年實現(xiàn)了滿功率運行。2006年，國家設立了“大型先進壓水堆與高溫氣冷堆核電站”國家科技重大專項。在清華大學、中國核工業(yè)集團有限公司、中國華能集團有限公司等單位的通力合作下，重大專項工作取得了重要進展與成果，2021年9月高溫氣冷堆示范電站首次達到臨界，2022年12月達到了雙堆初始滿功率，實現(xiàn)了“兩堆帶一機”模式下的穩(wěn)定運行，為工程投產(chǎn)商運奠定了基礎。這些成果標志著我國在高溫氣冷堆領域的發(fā)展居于國際領先水平。

如果將高溫氣冷堆技術與先進制氫技術耦合，可實現(xiàn)大規(guī)模、高效、持續(xù)、穩(wěn)定制取無碳排放的氫氣，有望成為我國大規(guī)模供應氫氣的重要解決方案之一，也是占領第四代核能技術、核能制氫及其綜合利用制高點的重要突破口。在重大專項支持下，清華大學從2006年開始了以高溫氣冷堆工藝熱應用為背景的熱化學循環(huán)分解水制氫和高溫蒸汽電解制氫技術的研發(fā)?！笆濉逼陂g，建成集成實驗室規(guī)模的制氫裝置并實現(xiàn)了連續(xù)運行，解決了制氫技術的關鍵工藝問題；“十三五”期間，重點開展了熱化學循環(huán)制氫關鍵設備、中間換熱器、核能制氫安全性等方面的研究；目前，正在進行設備放大、中試規(guī)模制氫廠設計等工作，已具備開展中試規(guī)模驗證和示范的條件。

當前，高溫氣冷堆制氫正處在研發(fā)的關鍵時期，關鍵技術有待加快突破。高溫氣冷堆制氫需要將出口溫度從目前的750攝氏度提高到950攝氏度左右，在超高溫運行狀態(tài)下相關反應堆物理熱工設計、安全分析、工程材料研發(fā)，以及中間換熱器等關鍵設備研制、熱化學制氫工藝中試階段的設備放大、系統(tǒng)優(yōu)化以及與高溫堆耦合等方面面臨一系列工程化挑戰(zhàn)，后續(xù)亟須保持持續(xù)穩(wěn)定、高強度的研發(fā)投入，開展高溫堆制氫中試規(guī)模示范及以核能制氫為核心的氫、電、熱綜合供應及其在工業(yè)領域的應用研究，繼續(xù)保持我國高溫氣冷堆領域的領先技術優(yōu)勢。

由于高溫氣冷堆在工藝熱供應方面具有獨特優(yōu)勢，其制氫技術應主要考慮利用高溫工藝熱減少甚至消除制氫過程碳排放的技術路線。為此，近期到中期可重點發(fā)展技術相對成熟、可減少碳排放的核熱輔助的甲烷重整，進行工程規(guī)模示范；開展無碳排放的熱化學循環(huán)制氫中試示范。中遠期實現(xiàn)以熱化學循環(huán)分解水制氫技術為核心的高溫堆綜合能源供應，并實現(xiàn)與氫冶金、石油化工等大規(guī)模用氫場景的結合。

高溫氣冷堆制氫有待推進

核能制氫前景廣闊，高溫氣冷堆制氫有望成為我國核能制氫產(chǎn)業(yè)領先世界、實現(xiàn)高水平科技自立自強的一個重要突破口。根據(jù)我國技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，我們認為到2035年可以實現(xiàn)高溫氣冷堆制氫技術規(guī)?；l(fā)展，力爭到2060年高溫氣冷堆制氫達到每年生產(chǎn)2000萬噸氫的能力，供給我國15%~20%的氫能需求，與核能發(fā)電在電力供應中的地位相匹配。

一是將高溫氣冷堆制氫作為我國氫能戰(zhàn)略的重要組成部分。建議在研究制定國家氫能戰(zhàn)略及發(fā)展路線圖時，將核能制氫，特別是高溫氣冷堆制氫作為氫能戰(zhàn)略的重要組成部分。

二是將高溫氣冷堆及其制氫技術列入新一批國家科技重大專項繼續(xù)給予支持。我國高溫氣冷堆、熱化學循環(huán)制氫等技術研究正處在關鍵階段，需要長期大量的投入。建議加大研發(fā)支持力度，統(tǒng)籌考慮核能發(fā)展的技術布局，將高溫氣冷堆及其制氫技術列入新一批國家科技重大專項，進一步鞏固我國在該領域的領先地位。

三是加強科普及宣傳工作，提升公眾對核能及氫能的認知和接受度。核電長期面臨公眾可接受性和鄰避效應問題，民眾擔憂與地方壓力已經(jīng)成為制約我國核能發(fā)展的重要因素之一，也相應影響了核能制氫技術的發(fā)展。需要面向公眾加強多角度、多渠道的教育和宣傳工作。（作者單位：清華大學核能與新能源技術研究院）

責任編輯：沈馨蕊

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