双重清洁能源—核能制氢

全球能源行业正经历以低碳化、无碳化、低污染为方向的第三次能源变革。氢能的开发与利用技术已经成为世界能源技术变革的重要方向。

以环保节能的方式制备氢能，如核能制氢，赋予氢能双重清洁能源的显著特征，为实施规模化应用提供了巨大空间。

一、核能制氢的背景

开发利用氢能成为中国能源技术发展的战略方向。发展氢能应用的重要前提之一是兼顾氢能制备的效率、成本和可靠性。

氢能可通过一次能源、二次能源及工业领域等多种途径获取。其中，核能制氢是一种有应用前景的高效、大规模、无排放的制氢技术，有望在氢气大规模集中供应的场景中起到重要作用。

人类可驾驭的可控核裂变技术已用于工程建设核电站，为世界多个国家提供清洁电力供应。在可用于核能制氢的反应堆堆型中，高温气冷堆因其高出口温度和固有安全性等优势，被视为制氢的最优堆型。

高温气冷堆在我国已有数十年的研发基础，正在国家科技重大专项支持下建造示范电站。核能制氢是高温气冷堆除发电外最重要的用途。

二、核能制氢的原理

核能制氢是指利用核反应堆产生的热作为一次能源，从含氢元素的物质水或化石燃料制备氢气，具有多种技术路线。

图1 核能制氢技术路线

（1）核热辅助的烃类重整，利用高温气冷堆的工艺热代替常规技术中的热源，可部分减少化石燃料的使用。

（2）利用核能发电、再经常规电解制氢，这是已成熟技术的结合，但从一次能源转化为氢能的效率较低。在压水堆发电能力过剩的场景中，可利用电解制氢实现储能或者供给氢气。

（3）要实现核能到氢能的高效转化，必须部分或全部利用以反应堆提供的工艺热，减少热–电转换过程中的效率损失。主流的核能制氢技术包括热化学循环（碘硫循环、混合硫循环）和高温蒸汽电解。

图2 高温气冷堆碘硫循环制氢原理示意图

三、核能制氢的安全性

核能制氢系统安全管理的目标是确保公众健康，保护环境。

核能制氢设施的设计需考虑并有效处以下因素：核反应堆与制氢厂的安全布置，核反应堆与制氢厂的耦合界面，中间热交换器安全设计，核反应堆与制氢厂的运行匹配等。

未来，核能制氢设施对反应堆和制氢厂的实体采取充分隔离措施，消除潜在伤害，保证放射性水平足够低，实现核系统与制氢系统的隔离，从而使制氢厂'归于非核系统'。

四、核能制氢的经济性

核能制氢技术能否实现商业利用，不仅依赖于技术本身的发展，而且还取决于所能实现的制氢效率、生产价格能否为市场所接受。

美国能源部进行的核能制氢经济性评估表明，氢气成本为2.94～4.40 美元/kg。国际原子能机构对核能制氢成本进行了研究，认为在不同场景下的氢气成本为2.45～4.34 美元/kg。

与压水堆发电–常规电解制氢相比，高温气冷堆经热化学循环或高温电解制氢具有相对成本优势。

五、我国核能制氢的技术基础

在国家'863计划'支持下，我国建成10 MWt高温气冷试验堆并实现满功率运行。在'先进压水堆与高温气冷堆核电站'国家科技重大专项支持下，正在建设200 MWe高温气冷堆核电站示范工程。

我国核能制氢研究起步于'十一五'前期，对核能制氢的主流工艺——热化学循环分解水制氢和高温蒸汽电解制氢进行了论证研究，建成原理验证设施，验证了工艺可行性。

'十二五'期间，开展了氦气透平直接循环发电及高温堆制氢等技术研究，基本掌握碘硫循环和高温蒸汽电解的工艺关键技术。

六、我国核能制氢的发展路线

论证提出我国核能制氢发展路线：原理验证与单元集成–工程材料与设备开发–工程验证–商业化示范。

到2020年，完成高温气冷堆制氢关键设备技术研究，正在国家科技重大专项支持下开展研发工作。

到2025年，完成高温气冷堆制氢中试工程验证，建立产氢能力1000 m3/h的高温堆制氢中试厂。

到2030年，开展超高温堆–核能制氢–氢冶金的工程示范，在高效、大规模制备氢气的同时，实施氢气直接还原炼铁的工业应用。

图3 核能制氢直接还原炼铁原理路线示意图

发展核能制氢技术，有利于保持我国高温气冷堆技术的国际领先优势，为未来氢能的大规模供应提供了解决方案，还为高温堆工艺热应用开辟新的用途，对实现我国未来的能源战略转变具有重大意义。

来源：绿色矿山与无废城市