一、前言

氫是重要的工業(yè)原料，也是未來(lái)理想的二次能源或能源載體；氫作為二次能源便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，且可以直接作為燃料使用。除傳統(tǒng)的合成氨、合成甲醇、石油精煉外，氫氣在氫冶金、煤液化以及燃料電池汽車(chē)等領(lǐng)域都能夠得到大規(guī)模利用。利用核能制氫，可以實(shí)現(xiàn)氫氣的高效、大規(guī)模、無(wú)碳排放制備。

在國(guó)家“863 計(jì)劃”支持下，我國(guó) 10 MWt 高溫氣冷試驗(yàn)堆已在清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院建成并實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行。在國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)支持下，200 MWe 高溫氣冷堆核電站示范工程的建設(shè)正在進(jìn)行 [1]；核能制氫和氦氣透平等前瞻性技術(shù)的研發(fā)已開(kāi)展。在可用于核能制氫的反應(yīng)堆堆型中，高溫氣冷堆因其高出口溫度和固有安全性等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最適合用于制氫的堆型 [2]。核能制氫是高溫氣冷堆發(fā)電外最重要的用途，將為未來(lái)高溫堆的應(yīng)用拓展新的領(lǐng)域。核能制氫技術(shù)研發(fā)既有利于保持我國(guó)高溫氣冷堆技術(shù)的國(guó)際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，也為未來(lái)氫氣的大規(guī)模供應(yīng)提供了一種有效的解決方案，同時(shí)可為高溫堆工藝熱應(yīng)用開(kāi)辟新的用途，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)未來(lái)的能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變具有重大意義。

二、核能制氫技術(shù)簡(jiǎn)述

核能制氫就是利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱作為一次能源，從含氫元素的物質(zhì)水或化石燃料制備氫氣。

（一）制氫用反應(yīng)堆

目前廣泛用于發(fā)電的壓水堆等堆型利用高溫蒸汽作為熱載體，由于出口溫度相對(duì)較低，主要用于發(fā)電。第四代核能系統(tǒng)論壇（GIF）篩選了 6 種堆型（包括鈉冷快堆、氣冷快堆、鉛冷快堆、熔鹽堆、超臨界水堆、超 / 高溫氣冷堆）作為未來(lái)發(fā)展的方向，除在經(jīng)濟(jì)性、安全性、可持續(xù)性等方面的目標(biāo)外，希望能有效拓展核能在非發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用。在這 6 種堆型中，超 / 高溫氣冷堆由于具有固有安全性、高出口溫度、功率適宜等特點(diǎn)，被認(rèn)為是非常適合用于制氫的堆型 [3]。在 GIF 中專(zhuān)門(mén)設(shè)置了高溫堆制氫項(xiàng)目管理部，協(xié)調(diào)國(guó)際上核能制氫相關(guān)的國(guó)家交流與合作。

（二）核能制氫技術(shù)

作為一種二次能源或能源載體，氫氣需要利用一次能源從含氫物質(zhì)來(lái)制取。圖 1 為利用核能制取氫氣的技術(shù)路線。

圖 1 核能制氫技術(shù)路線

在圖 1 所示的技術(shù)路線中，核熱輔助的烴類(lèi)重整利用高溫氣冷堆的工藝熱代替常規(guī)技術(shù)中的熱源，可部分減少化石燃料的使用，也相應(yīng)減少部分CO2 排放。利用核能發(fā)電再經(jīng)常規(guī)電解制氫，是已成熟技術(shù)的結(jié)合，但從一次能源轉(zhuǎn)化為氫能的效率較低。在一些壓水堆發(fā)電能力過(guò)剩、需要消納或者特殊應(yīng)用的場(chǎng)景中，可利用電解制氫實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能或者供給需要?dú)錃獾膱?chǎng)合。要實(shí)現(xiàn)核能到氫能的高效轉(zhuǎn)化，必須部分或全部利用以反應(yīng)堆提供的工藝熱，減少熱 – 電轉(zhuǎn)換過(guò)程中的效率損失。目前研發(fā)的主流核能制氫技術(shù)包括熱化學(xué)循環(huán)（碘硫循環(huán)和混合硫循環(huán)）和高溫蒸汽電解。

1. 碘硫循環(huán)

碘硫循環(huán)（IS cycle）由美國(guó)通用原子公司（GA）最早提出 [4]，被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的核能制氫技術(shù)。碘硫循環(huán)由如式（1）~ 式（3）所示的三步反應(yīng)相耦合，組成一個(gè)閉合過(guò)程，凈結(jié)果為水分解產(chǎn)生氫氣和氧氣。這樣可將原本需要在 2500 ℃以上高溫下才能進(jìn)行的水分解反應(yīng)在 800~900 ℃下得以實(shí)現(xiàn)：

Bunsen 反應(yīng)（產(chǎn)生硫酸和氫碘酸）：

SO2 +I2 +2H2O ＝ H2SO4 +2HI（20~120 ℃） （1）

硫酸分解反應(yīng)（產(chǎn)生氧）：

H2SO4 ＝ SO2 + 1/2O2 + H2O（830~900 ℃） （2）

氫碘酸分解反應(yīng)（產(chǎn)生氫）：

2HI ＝ H2+I2 （400~500 ℃） （3）

以高溫氣冷堆為熱源經(jīng)碘硫循環(huán)制氫過(guò)程原理如圖 2 所示。

圖 2 高溫氣冷堆碘硫循環(huán)制氫原理示意圖

碘硫循環(huán)以硫酸分解作為高溫吸熱過(guò)程，可與高溫氣冷反應(yīng)堆熱出口溫度良好匹配，預(yù)期制氫效率可達(dá) 50% 以上；整個(gè)過(guò)程可在全流態(tài)下運(yùn)行，易于實(shí)現(xiàn)放大和連續(xù)操作，適于大規(guī)模制氫；在整個(gè)制氫過(guò)程中基本可以消除溫室氣體排放。

2. 混合硫循環(huán)

混合硫循環(huán)（HyS cycle）最初由美國(guó)西屋電氣公司提出 [5]，是篩選出的另一種有工業(yè)應(yīng)用前景的核能制氫流程，其原理如圖 3 所示。

圖 3 混合硫循環(huán)原理示意圖

HyS 循環(huán)包括如下兩步反應(yīng)：

SO2 去極化電解：

SO2+2H2O=H2SO4 +H2（30~120 ℃） （4）

硫酸分解反應(yīng)：

H2SO4=H2O+SO2 + 1/2O2 （850 ℃） （5）

SO2 電解產(chǎn)生硫酸和氫氣，硫酸分解產(chǎn)生 SO2再用于電解反應(yīng)，如此組成閉合循環(huán)；凈結(jié)果為水分解產(chǎn)生氫氣和氧氣。循環(huán)只有兩步過(guò)程組成，同時(shí)利用高溫?zé)岷碗?，其效率遠(yuǎn)高于常規(guī)電解，又可部分避免純高溫?zé)徇^(guò)程帶來(lái)的材料和工程問(wèn)題。

3. 高溫蒸汽電解

高溫蒸汽電解利用如圖 4 所示的固體氧化物燃料電解池（SOEC）實(shí)現(xiàn)高溫水蒸氣的電解。與常規(guī)電解相比，所需能量一部分以熱的形式供給，因此過(guò)程效率可以顯著提高 [6]。

SOEC 電解水制氫是目前發(fā)展的固體氧化物燃料電池（SOFC）的逆運(yùn)行?；具^(guò)程如圖 4 所示：水蒸氣進(jìn)入 SOEC 氫電極，與外電路提供的電子結(jié)合，發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣，同時(shí)產(chǎn)生氧離子，氧離子在外加電場(chǎng)作用下，經(jīng)電解質(zhì)層中的氧空穴傳遞至氧電極，隨后發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧氣，失去的電子回到外電路，形成閉合回路。

圖 4 固體氧化物電解制氫原理示意圖

三、核能制氫研發(fā)現(xiàn)狀

（一）國(guó)際研發(fā)現(xiàn)狀

1. 日本研發(fā)現(xiàn)狀 [7]

20 世紀(jì) 80 年代至今日本原子力機(jī)構(gòu)（JAEA）一直在進(jìn)行高溫氣冷堆和碘硫循環(huán)制氫的研究。其開(kāi)發(fā)的 30 MW 高溫氣冷試驗(yàn)堆（HTTR）反應(yīng)堆出口溫度在 2004 年提高到 950 ℃。JAEA 設(shè)計(jì)了氫電聯(lián)產(chǎn)的商業(yè)反應(yīng)堆 GTHTR300C，重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楹四苤茪浜秃馔钙?。JAEA 先后建成了碘硫循環(huán)原理驗(yàn)證臺(tái)架（1 NL/h）、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模臺(tái)架（50 NL/h），實(shí)現(xiàn)了過(guò)程連續(xù)運(yùn)行。近年來(lái)建立了工程材料臺(tái)架（200 NL/h），正在進(jìn)行材料考驗(yàn)、設(shè)備完整性、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、膜分離等研發(fā)工作，目的在于考察和驗(yàn)證設(shè)備的可制造性和在苛刻環(huán)境中的性能，并研究提高過(guò)程效率的強(qiáng)化技術(shù)。此外還進(jìn)行了過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬、核氫安全等多方面研究。后續(xù)計(jì)劃利用 HTTR 對(duì)核氫技術(shù)進(jìn)行示范，同時(shí)JAEA 還在進(jìn)行多功能商用高溫堆示范設(shè)計(jì)，用于制氫、發(fā)電和海水淡化；并且對(duì)核氫煉鋼的應(yīng)用可行性進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。

2. 美國(guó)研發(fā)現(xiàn)狀 [8,9]

進(jìn)入 21 世紀(jì)美國(guó)重新重視并開(kāi)展核能制氫研究，在出臺(tái)的一系列氫能發(fā)展計(jì)劃如國(guó)家氫能技術(shù)路線圖、氫燃料計(jì)劃、核氫啟動(dòng)計(jì)劃以及下一代核電站計(jì)劃中都包含核能制氫相關(guān)內(nèi)容。研發(fā)集中在由先進(jìn)核系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的高溫水分解技術(shù)及相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)研究，包括碘硫循環(huán)、混合硫循環(huán)和高溫電解。碘硫循環(huán)的研究由 GA、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和法國(guó)原子能委員會(huì)合作進(jìn)行，在 2009 年建成了工程材料制造的小型臺(tái)架并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?；旌狭蜓h(huán)由薩凡納河國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和一些大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，研發(fā)成功了二氧化硫去極化電解裝置。高溫蒸汽電解主要在愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，開(kāi)發(fā)了 10 kW 級(jí)電解堆并在高溫電解設(shè)施上進(jìn)行了考驗(yàn)。

3. 韓國(guó)研發(fā)現(xiàn)狀 [10]

韓國(guó)正在進(jìn)行核氫研發(fā)和示范項(xiàng)目，最終目標(biāo)是在 2030 年以后實(shí)現(xiàn)核氫技術(shù)商業(yè)化。從 2004 年起韓國(guó)開(kāi)始執(zhí)行核氫開(kāi)發(fā)與示范（NHDD）計(jì)劃，確定了利用高溫氣冷堆進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、高效制氫的技術(shù)路線，完成了商用核能制氫廠的前期概念設(shè)計(jì)。核氫工藝主要選擇碘硫循環(huán)。相關(guān)研究由韓國(guó)原子能研究院負(fù)責(zé)，目前正在研發(fā)采用工程材料的反應(yīng)器，建立了產(chǎn)氫率 50 NL/h 的回路，正在進(jìn)行閉合循環(huán)實(shí)驗(yàn)。韓國(guó)多個(gè)研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)共同成立了核能制氫產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，對(duì)核能制氫在鋼鐵行業(yè)的富氫還原、純氫還原等領(lǐng)域進(jìn)行了可行性研究。

4. 加拿大研發(fā)現(xiàn)狀 [11]

加拿大天然資源委員會(huì)制定的第四代國(guó)家計(jì)劃中要發(fā)展 SCWR，其用途之一是實(shí)現(xiàn)制氫。制氫工藝主要選擇可與超臨界水堆最高出口溫度相匹配的中溫?zé)峄瘜W(xué)銅氯循環(huán)，也正在研究對(duì)碘硫循環(huán)進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng) SCWR 的較低出口溫度。目前研發(fā)重點(diǎn)為銅氯循環(huán)，由安大略理工大學(xué)負(fù)責(zé)，加拿大國(guó)家核實(shí)驗(yàn)室（CNL）、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)參與。此外，CNL 也在開(kāi)展高溫蒸汽電解的模型建立及電解的初步工作。四步驟銅氯循環(huán)反應(yīng)組成見(jiàn)表 1。

表 1 四步驟銅氯循環(huán)組成與條件

5. 國(guó)際組織研發(fā)現(xiàn)狀 [12]

核能制氫的國(guó)際合作也比較活躍。第四代核能系統(tǒng)論壇中的高溫氣冷堆系統(tǒng)設(shè)置了制氫項(xiàng)目管理部，定期召開(kāi)會(huì)議討論研發(fā)進(jìn)展和問(wèn)題，目前清華大學(xué)作為中國(guó)代表全面參與高溫氣冷堆系統(tǒng)及各項(xiàng)目部的活動(dòng)。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）設(shè)置了核能制氫經(jīng)濟(jì)性相關(guān)的協(xié)調(diào)項(xiàng)目，有十多個(gè)國(guó)家共同參與進(jìn)行核能制氫技術(shù)經(jīng)濟(jì)的評(píng)價(jià)；清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院也成功申請(qǐng)?jiān)撜n題資助并全面參與相關(guān)研究。

（二）我國(guó)高溫氣冷堆制氫研發(fā)進(jìn)展

1．碘硫循環(huán)研發(fā)進(jìn)展 [13,14]

我國(guó)核能制氫起步于“十一五”初期，對(duì)核能制氫的主流工藝——熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫和高溫蒸汽電解制氫進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，建成了原理驗(yàn)證設(shè)施并進(jìn)行了初步運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了工藝的可行性。

“十二五”期間，國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“先進(jìn)壓水堆與高溫氣冷堆核電站”中設(shè)置了前瞻性研究課題——高溫堆制氫工藝關(guān)鍵技術(shù)并在“高溫氣冷堆重大專(zhuān)項(xiàng)總體實(shí)施方案”中提出開(kāi)展氦氣透平直接循環(huán)發(fā)電及高溫堆制氫等技術(shù)研究，為發(fā)展第四代核電技術(shù)奠定基礎(chǔ)。主要目標(biāo)是掌握碘硫循環(huán)和高溫蒸汽電解的工藝關(guān)鍵技術(shù)，建成集成實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的碘硫循環(huán)臺(tái)架，實(shí)現(xiàn)閉合連續(xù)運(yùn)行；同時(shí)建成高溫電解設(shè)施并進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)。

清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院對(duì)碘硫循環(huán)的化學(xué)反應(yīng)和分離過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)研究，包括多相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、相平衡、催化劑、電解滲析、反應(yīng)精餾等多領(lǐng)域；同時(shí)解決了循環(huán)閉合運(yùn)行涉及過(guò)程模擬與優(yōu)化，強(qiáng)腐蝕性、高密度漿料輸送，在線測(cè)量與控制等多方面工程難題，在工藝關(guān)鍵技術(shù)方面取得了多項(xiàng)成果，包括：①建立了碘硫循環(huán)涉及的主要物種的四元體系的四面體相圖，提出相態(tài)判據(jù)，建立了組成預(yù)測(cè)模型，并開(kāi)發(fā)為相態(tài)判斷的軟件，可為循環(huán)閉合操作時(shí)的相態(tài)及組成預(yù)測(cè)提供指導(dǎo)；②開(kāi)發(fā)了可在高溫、強(qiáng)腐蝕環(huán)境下使用的高性能硫酸和氫碘酸分解催化劑，可實(shí)現(xiàn)兩種酸的高效分解，且催化劑在100 h壽命試驗(yàn)中性能無(wú)明顯衰減；③開(kāi)發(fā)了用于氫碘酸濃縮的電解滲析堆及物性預(yù)測(cè)、傳質(zhì)、操作電壓計(jì)算的模型與軟件，可成功用于解決氫碘酸濃縮的難題；④建立了碘硫循環(huán)全流程模擬模型并開(kāi)發(fā)為過(guò)程穩(wěn)態(tài)模擬軟件，并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可靠性，該軟件可用于進(jìn)行碘硫循環(huán)流程設(shè)計(jì)優(yōu)化與效率評(píng)估；⑤建成了產(chǎn)氫能力為 100 NL/h的集成實(shí)驗(yàn)室規(guī)模臺(tái)架，提出了關(guān)于系統(tǒng)開(kāi)停車(chē)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、典型故障排除等多方面的運(yùn)行策略，并成功實(shí)現(xiàn)了計(jì)劃的產(chǎn)氫率 60 NL/h、60 h 連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，證實(shí)了碘硫循環(huán)制氫技術(shù)的工藝可靠性。

2. 混合硫循環(huán)研發(fā)進(jìn)展 [15]

混合硫循環(huán)制氫是另一種有工業(yè)應(yīng)用前景的核能制氫工藝，其硫酸分解步驟與碘硫循環(huán)完全相同，再通過(guò) SO2去極化電解（SDE）過(guò)程得到硫酸和氫氣，形成閉合循環(huán)。對(duì) SDE 進(jìn)行了系統(tǒng)基礎(chǔ)研究，研究了膜電極組件制備條件和電解過(guò)程工藝參數(shù)對(duì)電解性能的影響，得到了膜電極組件的最優(yōu)制備方法。為確定電解過(guò)程陽(yáng)極極化電勢(shì)及其組成，建立了適應(yīng)液態(tài)進(jìn)料的 SO2 去極化電解過(guò)程的原位電化學(xué)阻抗譜方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算相結(jié)合，解析出了電解過(guò)程各極化阻抗組成。研究結(jié)果表明，陽(yáng)極極化過(guò)電勢(shì)在電解電壓中所占比例最高；電解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)受到不同過(guò)程的控制。在較低電解電壓下，SO2 去極化電解反應(yīng)的速控步驟為電化學(xué)極化過(guò)程；在較高電壓下，速控步驟為電化學(xué)極化過(guò)程和濃差極化過(guò)程。為降低陽(yáng)極極化過(guò)電勢(shì)、降低催化劑成本，對(duì) SO2 去極化電解過(guò)程的新型催化劑進(jìn)行了探索。利用浸漬還原法制備了活性炭負(fù)載的系列 Pt基雙金屬催化劑，并對(duì)其結(jié)構(gòu)、形貌、電化學(xué)性能等進(jìn)行了研究。研究了不同條件下 SO2 去極化電解反應(yīng)的電流效率。通過(guò)測(cè)定電解池陰極出口氣體產(chǎn)物的組成和速率，證實(shí)了電解體系中 SO2 跨膜擴(kuò)散現(xiàn)象的存在和副反應(yīng)的發(fā)生。對(duì)不同條件下的電流效率研究表明，采用低溫、高電流密度的操作條件，電解池的電流效率接近 100%。

筆者建立了電解過(guò)程計(jì)算半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將該模型與 Aspen Plus 結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)混合硫循環(huán)過(guò)程的整體模擬。利用該模型對(duì)建立的混合硫循環(huán)流程進(jìn)行了物料平衡計(jì)算、靈敏度分析及制氫效率初步計(jì)算，為該流程的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要參考和有效工具。

在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了產(chǎn)氫率為 20 NL/h 的 SO2去極化電解設(shè)施，成功進(jìn)行了電解實(shí)驗(yàn)。

3. 高溫蒸汽電解研發(fā)進(jìn)展 [16]

水蒸氣高溫電解具有過(guò)程簡(jiǎn)單、高效的優(yōu)點(diǎn)。SOEC 電堆是高溫電解制氫技術(shù)的核心裝置，由陶瓷電解池片、金屬密封框、雙極板、集流網(wǎng)、底板、頂板等多個(gè)組件構(gòu)成；各個(gè)組件的材料組成、化學(xué)、物理及機(jī)械性能各異；且工作環(huán)境為高溫（830 ℃）、高濕（水蒸氣含量 >70%）的苛刻條件。在對(duì)高溫水蒸氣電解特性深入研究的基礎(chǔ)上，采用了創(chuàng)新性電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)合關(guān)鍵材料篩選、運(yùn)行工藝摸索，解決了電堆組件熱膨脹系數(shù)匹配、電堆密封、電堆電性能改進(jìn)、電堆機(jī)械定位等多項(xiàng)技術(shù)難題，成功設(shè)計(jì)和制備出性能優(yōu)良的電解池堆。還完成了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的高溫水蒸氣電解制氫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行調(diào)試。解決了水蒸氣穩(wěn)定供應(yīng)和精準(zhǔn)控制等難題，建立了可實(shí)現(xiàn)高溫電解長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的運(yùn)行程序。在該測(cè)試平臺(tái)上成功實(shí)現(xiàn)了 10 片電堆（電池片面積為 10 cm×10 cm）的高效連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為 115 h，穩(wěn)定產(chǎn)氫為 60 h，產(chǎn)氫速率為 105 L/h。研發(fā)的電堆可以滿足高溫蒸汽電解高溫、高濕環(huán)境的苛刻要求，電池堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性和技術(shù)可靠性，測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行正常、過(guò)程控制穩(wěn)定。

四、核能制氫的安全性

未來(lái)核氫系統(tǒng)安全管理的目標(biāo)是確保公眾健康與安全并保護(hù)環(huán)境。涉及核反應(yīng)堆和制氫設(shè)施耦合的安全問(wèn)題有三類(lèi)：①制氫廠發(fā)生的事故和造成的釋放，要考慮可能的化學(xué)釋放對(duì)核設(shè)施的系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)和部件造成的傷害，包括爆炸形成的沖擊波、火災(zāi)、化學(xué)品腐蝕等，核設(shè)施的運(yùn)行人員也可能面臨這些威脅。②熱交換系統(tǒng)中的事件和失效。核氫耦合的特點(diǎn)就是利用連接反應(yīng)堆一回路冷卻劑和制氫工藝設(shè)施的中間熱交換器（IHX），熱交換器的失效可能為放射性物質(zhì)的釋放提供通道，或者使中間回路的流體進(jìn)入堆芯。③核設(shè)施中發(fā)生的事件會(huì)影響制氫廠，并有可能形成放射性釋放的途徑。反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氚有可能通過(guò)熱交換器遷移，形成進(jìn)入制氫廠的途徑，包括進(jìn)入產(chǎn)品氫。因此核氫設(shè)施的設(shè)計(jì)要考慮的問(wèn)題包括核反應(yīng)堆與制氫廠的安全布置，核反應(yīng)堆與制氫廠的耦合界面，中間熱交換器安全設(shè)計(jì)，核反應(yīng)堆與制氫廠的運(yùn)行匹配，以及氚的風(fēng)險(xiǎn)等 [17]。

在核氫廠的概念設(shè)計(jì)中，對(duì)反應(yīng)堆和制氫廠的實(shí)體采取了充分隔離措施，以消除制氫廠可能發(fā)生的爆炸和化學(xué)泄漏對(duì)反應(yīng)堆造成傷害，同時(shí)也保證制氫廠的放射性水平足夠低，從而使制氫廠歸于非核系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)上使二回路壓力高于一回路 , 從而可有效實(shí)現(xiàn)核系統(tǒng)與制氫系統(tǒng)的隔離。氫的同位素——氕（H）、氘（D）和氚（T）能夠通過(guò)金屬滲透，為防止氫進(jìn)入一回路及防止堆芯中的氚進(jìn)入二回路，正在對(duì)滲透的可能性進(jìn)行考察，并參考民用燃?xì)猓ㄈ缣烊粴猓﹪?guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)放射性的許可標(biāo)準(zhǔn)確定是否需要進(jìn)行必要處理。

五、核能制氫的經(jīng)濟(jì)性

核能制氫技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)商業(yè)利用，不僅取決于技術(shù)本身的發(fā)展，而且還取決于所能實(shí)現(xiàn)的制氫效率和生產(chǎn)的氫的價(jià)格能否被市場(chǎng)所接受。正因?yàn)槿绱?，盡管核能制氫技術(shù)還處在發(fā)展的前期，但其未來(lái)可能實(shí)現(xiàn)的制氫價(jià)格受到廣泛的關(guān)注。美國(guó)、法國(guó)、日本等大力發(fā)展核能制氫技術(shù)的國(guó)家以及 IAEA 都開(kāi)展了核氫經(jīng)濟(jì)性或技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的研究。

美國(guó)能源部在核氫創(chuàng)新計(jì)劃下進(jìn)行了核能制氫經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，得到的氫氣成本在 2.94~4.40 美元 /kg。IAEA 開(kāi)發(fā)了氫經(jīng)濟(jì)評(píng)估程序，參與國(guó)對(duì)核能制氫成本進(jìn)行了情景分析，在不同場(chǎng)景下得到的氫氣成本在 2.45~4.34 美元 /kg，并對(duì)成本構(gòu)成進(jìn)行了分析。與壓水堆發(fā)電—常規(guī)電解制氫相比，高溫氣冷堆經(jīng)熱化學(xué)循環(huán)或高溫電解制氫具有明顯的成本優(yōu)勢(shì) [18,19]。

雖然對(duì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了不少分析，但由于采用的反應(yīng)堆堆型、技術(shù)流程以及模擬模型都存在較大的不確定性，因此相關(guān)工作仍在進(jìn)行中。盡管如此，技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)工作仍為核能制氫技術(shù)發(fā)展路線和未來(lái)商業(yè)應(yīng)用提供了重要參考依據(jù)。

六、我國(guó)高溫氣冷堆制氫發(fā)展路線及應(yīng)用前景初探

（一）與高溫氣冷堆耦合的制氫技術(shù)評(píng)價(jià)

從核能制氫技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)可見(jiàn)，高溫氣冷堆制氫適合對(duì)氫氣集中式、大規(guī)模、無(wú)排放的應(yīng)用場(chǎng)景。因此所選擇的與高溫氣冷堆耦合的制氫技術(shù)也應(yīng)該具有這些特點(diǎn)。

在前述核能到氫能的轉(zhuǎn)化路線中，核能發(fā)電—電解是最為成熟的技術(shù)，可用于在剩余核電的消納或特殊場(chǎng)景下用小型堆電解制氫。核能輔助的化石燃料重整可用核熱作為替代熱源，節(jié)省部分化石燃料并部分降低排放。例如，如果采用高溫堆工藝熱輔助的天然氣重整技術(shù)制氫，可以節(jié)省約 30% 用作熱源的天然氣，降低 30% 的 CO2 排放。該技術(shù)可作為核能制氫近期的過(guò)渡技術(shù)，在反應(yīng)堆與制氫廠耦合、核氫安全性研究與許可證申請(qǐng)、核能制氫技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行探索和推進(jìn)。

從遠(yuǎn)期看來(lái)，熱化學(xué)循環(huán)與高溫蒸汽電解以高氣冷堆的高溫工藝熱為熱源，以水為制氫原料，可完全消除制氫過(guò)程的碳排放，是更具發(fā)展前景的核能制氫技術(shù)。

核能制氫技術(shù)的發(fā)展路線必須考慮以下因素：技術(shù)特性（包括產(chǎn)氫能力、產(chǎn)品氫氣純度、終端用戶、廢物管理）、成本（氫氣價(jià)格、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)假設(shè)的適用性、研發(fā)費(fèi)用等）、風(fēng)險(xiǎn)（技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與成熟度、研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)）等。從核能制氫技術(shù)的特點(diǎn)來(lái)看，具有大規(guī)模清潔氫氣需求工業(yè)領(lǐng)域如合成氨、氫冶金、石油精煉、煤液化、生物質(zhì)精煉等是合適的終端用戶，制氫廠規(guī)模應(yīng)在 1×105 m3 /h 量級(jí)。熱化學(xué)循環(huán)與高溫蒸汽電解兩種技術(shù)都具有高效、無(wú)碳排放的特點(diǎn)，前者主要涉及化工技術(shù)，過(guò)程較為復(fù)雜，但放大較為容易，適合大規(guī)模制氫；后者主要涉及材料技術(shù)，過(guò)程簡(jiǎn)單，適合中小規(guī)模制氫。

（二）高溫氣冷堆制氫應(yīng)用前景初探

基于高溫氣冷堆在高溫工藝熱方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在其發(fā)展初期就曾考慮將制氫及其綜合應(yīng)用作為未來(lái)應(yīng)用的重要方向；Yan 等 [20] 曾提出過(guò)在直接還原煉鐵、合成氨、煤液化、石油精煉等領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)想。鑒于高溫氣冷堆能同時(shí)大規(guī)模提供氫氣、電、熱等能源，而且綜合利用可提高能源利用效率，因此特別適合于有類(lèi)似需求的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。

以氫氣直接還原煉鐵對(duì)高溫氣冷堆制氫綜合應(yīng)用進(jìn)行初步分析，可采用圖 5 所示的方案實(shí)現(xiàn)高溫堆制氫與煉鐵的耦合，將大幅度降低鋼鐵冶煉過(guò)程中溫室氣體和其他有害物質(zhì)的減排，帶來(lái)行業(yè)革命性的變化。

圖 5 核能制氫直接還原煉鐵原理路線示意圖

（三）高溫氣冷堆制氫發(fā)展路線初探

高溫氣冷堆制氫項(xiàng)目的總體目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)核能制氫示范并在有關(guān)行業(yè)內(nèi)應(yīng)用，為部分行業(yè)熱、電、氫、氧的大規(guī)模供應(yīng)提供總體解決方案，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)節(jié)能減排、產(chǎn)品升級(jí)換代提供重要技術(shù)基礎(chǔ)。

根據(jù)高溫氣冷堆制氫技術(shù)的發(fā)展規(guī)律并參考國(guó)際上相關(guān)國(guó)家的研發(fā)規(guī)劃，提出“原理驗(yàn)證與單元集成—工程材料與設(shè)備開(kāi)發(fā)—工程驗(yàn)證—商業(yè)化示范”的發(fā)展路線，目前已完成原理驗(yàn)證與單元集成階段研究，后續(xù)研發(fā)路線規(guī)劃如下。

到 2020 年：完成高溫氣冷堆制氫關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)研究。重點(diǎn)開(kāi)展可用于碘硫循環(huán)技術(shù)的工程材料的研發(fā)，開(kāi)發(fā)用于工程材料制作的關(guān)鍵分解器，建立模擬高溫氣冷堆供給高溫工藝熱的氦氣加熱的實(shí)驗(yàn)回路并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；為實(shí)現(xiàn)利用高溫氣冷堆進(jìn)行核能制氫中試奠定基礎(chǔ)。目前相關(guān)研發(fā)工作正在國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)支持下開(kāi)展。

到 2025 年：高溫氣冷堆制氫中試工程驗(yàn)證。開(kāi)展關(guān)鍵設(shè)備放大制造技術(shù)研發(fā)及制氫中試廠設(shè)計(jì)，建立產(chǎn)氫能力 1×103 m3 /h 的高溫堆制氫中試廠，利用高溫氦氣回路完成中試工程驗(yàn)證，并完成利用商業(yè)規(guī)模超高溫氣冷堆進(jìn)行核能制氫的概念設(shè)計(jì)。

到 2030 年：開(kāi)展超高溫堆—核能制氫—?dú)湟苯鸬墓こ淌痉丁?/span>

七、結(jié)語(yǔ)

核能制氫是一種高效、清潔的大規(guī)模制氫方法，可在未來(lái)氫氣大規(guī)模供應(yīng)方面扮演重要角色。以核能制氫為核心的高溫堆工藝熱綜合利用（氫、電、熱聯(lián)合供應(yīng)）將對(duì)我國(guó)多個(gè)工業(yè)行業(yè)的技術(shù)革命提供重要支撐，在產(chǎn)品升級(jí)換代、降低污染、減少碳排放等方面發(fā)揮重要作用。

在國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站”支持下，高溫堆制氫關(guān)鍵技術(shù)研究已取得良好進(jìn)展，目前正在開(kāi)展關(guān)鍵設(shè)備樣機(jī)研究；計(jì)劃“十四五”期間進(jìn)行中試驗(yàn)證，“十五五”期間進(jìn)行高溫堆核能制氫—?dú)湟苯鸬墓こ淌痉丁?/span>