中能論壇 | 探索高溫氣冷堆制氫 拓展核能多元化應(yīng)用
來(lái)源：《中國(guó)電力報(bào)》 時(shí)間：2023-04-28 17:09
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(yīng)方案，還可以拓展核能的應(yīng)用領(lǐng)域，提高經(jīng)濟(jì)性。
多國(guó)加大核能制氫研發(fā)力度
核能制氫主要技術(shù)路線及其特點(diǎn)簡(jiǎn)述如下。
核熱輔助的碳基燃料重整。目前，化石燃料轉(zhuǎn)化制氫過(guò)程中，煤、天然氣等既作為制氫過(guò)程原料，又作為吸熱反應(yīng)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(zhì)熱解或重整制氫過(guò)程中作為熱源的部分，可以減少化石資源用量，并降低相應(yīng)的碳排放。該技術(shù)成熟度高，與高溫氣冷堆耦合需要重點(diǎn)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?zé)峄瘜W(xué)循環(huán)分解水。熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫方法可以在相對(duì)較低的溫度下（如800攝氏度）實(shí)現(xiàn)水分解，具有制氫效率高、易于放大、與高溫反應(yīng)堆耦合特性好等特點(diǎn)，被認(rèn)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(yīng)用前景的過(guò)程包括碘硫循環(huán)和混合硫循環(huán)。該方法處于實(shí)驗(yàn)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(yáng)能技術(shù)給系統(tǒng)提供高溫?zé)?、低溫?zé)峄蛘羝娔芟目梢源蠓档?，?shí)現(xiàn)高溫下的蒸汽電解。其優(yōu)點(diǎn)包括：熱力學(xué)上需要的電能減少；電極表面反應(yīng)的活化能能壘易于克服，可以提高效率；電解池中的動(dòng)力學(xué)可以得到改善等。該方法處于實(shí)驗(yàn)室到中試過(guò)渡階段。
核電電解水制氫。目前廣泛應(yīng)用的核反應(yīng)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(xué)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(zhì)子交換膜（PEM）電解實(shí)現(xiàn)制氫。在電力過(guò)剩、核電經(jīng)濟(jì)性好或者需要高純氫氣的場(chǎng)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(yīng)堆與制氫過(guò)程耦合僅通過(guò)方便的電力傳輸即可實(shí)現(xiàn)。該方法成熟度高，技術(shù)上基本不存在障礙，但從核能到氫能的整體轉(zhuǎn)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(guó)、日本、法國(guó)、英國(guó)等國(guó)高度關(guān)注。多個(gè)國(guó)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(jì)80年代即開始核能制氫研發(fā)，在熱化學(xué)碘硫循環(huán)方向上進(jìn)行了深入研究，建成了工程材料制作的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模碘硫循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)架，并對(duì)核能制氫安全性、經(jīng)濟(jì)性及制氫廠與反應(yīng)堆的耦合進(jìn)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(lái)氫氣制備的重要方法。
美國(guó)一直在推進(jìn)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(shù)研發(fā)。2020年10月，美國(guó)能源部啟動(dòng)了首個(gè)利用核能的高溫蒸汽電解制氫項(xiàng)目。
法國(guó)發(fā)布《制氫方法》，明確核能發(fā)電制氫具有可控和無(wú)碳雙重優(yōu)勢(shì)。法國(guó)原子能委員會(huì)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(duì)高溫蒸汽電解技術(shù)、碘硫循環(huán)進(jìn)行了深入研究。
英國(guó)核工業(yè)委員會(huì)通過(guò)的《氫能路線圖》提出，到2050年核能制氫將提供英國(guó)氫能總需求量的三分之一，計(jì)劃使用大型核電站、小型模塊化反應(yīng)堆和先進(jìn)模塊化反應(yīng)堆通過(guò)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(guó)家核實(shí)驗(yàn)室、安大略理工大學(xué)等多年來(lái)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(tái)架，并提出開展中試的計(jì)劃。
韓國(guó)政府也在2005年提出了明確的支持高溫氣冷堆及相關(guān)制氫技術(shù)的研發(fā)規(guī)劃。印度、俄羅斯等國(guó)也都開展核能制氫的研究。此外，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)、國(guó)際經(jīng)合組織核能署等機(jī)構(gòu)對(duì)核能制氫也高度關(guān)注，并支持了多個(gè)協(xié)調(diào)項(xiàng)目。
高溫氣冷堆制氫優(yōu)勢(shì)獨(dú)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(diǎn)，除發(fā)電外，在制氫、高溫蒸汽供應(yīng)等核能綜合利用方面具有優(yōu)勢(shì)，是第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的優(yōu)選堆型。我國(guó)從20世紀(jì)70年代即開始了高溫氣冷堆研發(fā)工作，2001年在清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院建成了1萬(wàn)千瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，并于2003年實(shí)現(xiàn)了滿功率運(yùn)行。2006年，國(guó)家設(shè)立了“大型先進(jìn)壓水堆與高溫氣冷堆核電站”國(guó)家科技重大專項(xiàng)。在清華大學(xué)、中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司、中國(guó)華能集團(tuán)有限公司等單位的通力合作下，重大專項(xiàng)工作取得了重要進(jìn)展與成果，2021年9月高溫氣冷堆示范電站首次達(dá)到臨界，2022年12月達(dá)到了雙堆初始滿功率，實(shí)現(xiàn)了“兩堆帶一機(jī)”模式下的穩(wěn)定運(yùn)行，為工程投產(chǎn)商運(yùn)奠定了基礎(chǔ)。這些成果標(biāo)志著我國(guó)在高溫氣冷堆領(lǐng)域的發(fā)展居于國(guó)際領(lǐng)先水平。
如果將高溫氣冷堆技術(shù)與先進(jìn)制氫技術(shù)耦合，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效、持續(xù)、穩(wěn)定制取無(wú)碳排放的氫氣，有望成為我國(guó)大規(guī)模供應(yīng)氫氣的重要解決方案之一，也是占領(lǐng)第四代核能技術(shù)、核能制氫及其綜合利用制高點(diǎn)的重要突破口。在重大專項(xiàng)支持下，清華大學(xué)從2006年開始了以高溫氣冷堆工藝熱應(yīng)用為背景的熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫和高溫蒸汽電解制氫技術(shù)的研發(fā)?！笆濉逼陂g，建成集成實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的制氫裝置并實(shí)現(xiàn)了連續(xù)運(yùn)行，解決了制氫技術(shù)的關(guān)鍵工藝問(wèn)題；“十三五”期間，重點(diǎn)開展了熱化學(xué)循環(huán)制氫關(guān)鍵設(shè)備、中間換熱器、核能制氫安全性等方面的研究；目前，正在進(jìn)行設(shè)備放大、中試規(guī)模制氫廠設(shè)計(jì)等工作，已具備開展中試規(guī)模驗(yàn)證和示范的條件。
當(dāng)前，高溫氣冷堆制氫正處在研發(fā)的關(guān)鍵時(shí)期，關(guān)鍵技術(shù)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(yùn)行狀態(tài)下相關(guān)反應(yīng)堆物理熱工設(shè)計(jì)、安全分析、工程材料研發(fā)，以及中間換熱器等關(guān)鍵設(shè)備研制、熱化學(xué)制氫工藝中試階段的設(shè)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(qiáng)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(yīng)及其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，繼續(xù)保持我國(guó)高溫氣冷堆領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
由于高溫氣冷堆在工藝熱供應(yīng)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其制氫技術(shù)應(yīng)主要考慮利用高溫工藝熱減少甚至消除制氫過(guò)程碳排放的技術(shù)路線。為此，近期到中期可重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)相對(duì)成熟、可減少碳排放的核熱輔助的甲烷重整，進(jìn)行工程規(guī)模示范；開展無(wú)碳排放的熱化學(xué)循環(huán)制氫中試示范。中遠(yuǎn)期實(shí)現(xiàn)以熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫技術(shù)為核心的高溫堆綜合能源供應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)與氫冶金、石油化工等大規(guī)模用氫場(chǎng)景的結(jié)合。
高溫氣冷堆制氫有待推進(jìn)
核能制氫前景廣闊，高溫氣冷堆制氫有望成為我國(guó)核能制氫產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先世界、實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)的一個(gè)重要突破口。根據(jù)我國(guó)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，我們認(rèn)為到2035年可以實(shí)現(xiàn)高溫氣冷堆制氫技術(shù)規(guī)模化發(fā)展，力爭(zhēng)到2060年高溫氣冷堆制氫達(dá)到每年生產(chǎn)2000萬(wàn)噸氫的能力，供給我國(guó)15%~20%的氫能需求，與核能發(fā)電在電力供應(yīng)中的地位相匹配。
一是將高溫氣冷堆制氫作為我國(guó)氫能戰(zhàn)略的重要組成部分。建議在研究制定國(guó)家氫能戰(zhàn)略及發(fā)展路線圖時(shí)，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(shù)列入新一批國(guó)家科技重大專項(xiàng)繼續(xù)給予支持。我國(guó)高溫氣冷堆、熱化學(xué)循環(huán)制氫等技術(shù)研究正處在關(guān)鍵階段，需要長(zhǎng)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(shù)布局，將高溫氣冷堆及其制氫技術(shù)列入新一批國(guó)家科技重大專項(xiàng)，進(jìn)一步鞏固我國(guó)在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
三是加強(qiáng)科普及宣傳工作，提升公眾對(duì)核能及氫能的認(rèn)知和接受度。核電長(zhǎng)期面臨公眾可接受性和鄰避效應(yīng)問(wèn)題，民眾擔(dān)憂與地方壓力已經(jīng)成為制約我國(guó)核能發(fā)展的重要因素之一，也相應(yīng)影響了核能制氫技術(shù)的發(fā)展。需要面向公眾加強(qiáng)多角度、多渠道的教育和宣傳工作。（作者單位：清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院）
責(zé)任編輯：沈馨蕊
