熱能溫度越高，其應用場景就越廣泛，有些工業(yè)部門所需的熱源溫度比LWRs(輕水堆)所能提供的溫度更高。僅化工行業(yè)就有大約10萬兆瓦的熱量需要。開發(fā)下一代高溫反應堆核電站的計劃就是基于這個市場。該計劃最終被取消，是因為壓裂法極大地降低了天然氣開采的成本，高溫反應堆顯然是生不逢時。然而，如果反應堆能夠提供高溫熱量，低碳經(jīng)濟的目標將會使其重新煥發(fā)生機。高溫熱能還有兩個新興市場：調(diào)峰電力和氫氣生產(chǎn)。

調(diào)峰電力

歷史上，核反應堆主要用于基荷電力，這是由化石燃料的特點造成的。核電站具有高投資成本和低運營成本，而化石燃料電廠具有低投資成本和高運營成本。今天，這些化石燃料電廠采用燃氣輪機。風能和太陽能根據(jù)天氣情況向電網(wǎng)提供電力，與電力需求無關，不可調(diào)度。風力和太陽能的效果正在逐步顯現(xiàn)，比如加州，那里的上網(wǎng)電價已經(jīng)下降了。

在加州等地，在太陽能和風能產(chǎn)量高的時候，上網(wǎng)電價會快速下跌，而在其他時候則會上漲。圖1顯示了加州2012年和2017年春季一天的電價。2012年的價格是由化石燃料發(fā)電廠制定的。2017年電價則受到了太陽能發(fā)電的影響，太陽能發(fā)電獲得了大量補貼。今天，燃氣輪機提供可調(diào)度的電力，以滿足調(diào)峰需求。

隨著碳減排，誰能取代燃氣輪機？

多個先進反應堆的開發(fā)商提出增加儲熱的方案，以使基荷反應堆能夠滿足調(diào)峰需求。這些反應堆包括TerraPower/GE日立核能公司聯(lián)合開發(fā)的鈉冷Natrium反應堆、Moltex MSR和Kairos Power KP-FHR。在這三種情況下，儲熱材料是硝酸鈉鉀鹽，這與集中式太陽能熱發(fā)電廠中使用的熔融鹽相同。反應器不直接連接到電源塊上。相反，反應器接收冷鹽，加熱后將其送至熱鹽儲罐。鹽循環(huán)是反應器和動力循環(huán)之間的中間循環(huán)。動力循環(huán)接收熱鹽并產(chǎn)生蒸汽，從而產(chǎn)生電力。

反應器的大小與平均電力需求相匹配。帶有蒸汽鍋爐和渦輪機的動力單元的大小與峰值電力需求相匹配。峰值電力輸出與反應堆的相對規(guī)模取決于當?shù)氐碾娏κ袌?。例如，根?jù)擁有大量海上風電的英國電網(wǎng)，Moltex反應堆的峰值功率輸出比反應堆輸出高三倍左右。該動力模塊可以比核反應堆更快地調(diào)整出力，因為輸入動力循環(huán)的熱量是由熱鹽泵速度控制的，而不是反應堆調(diào)整輸出功率。

動力循環(huán)可以比燃氣輪機更快地響應不斷變化的電力需求。實現(xiàn)在高電價的時候出售電力，達到收入最大化的目的。在這些帶儲能的電廠中有很大動力來降低投資成本，使其低于燃氣輪機的成本。動力單元是按照核電標準建造的，它不與反應堆相連接。電力循環(huán)的設計是為了最大限度地降低投資成本，因為動力裝置的能力系數(shù)可能是30%，而反應堆的能力系數(shù)是90%。如果有非常低價的電力，發(fā)電廠就會買電來加熱更多的硝酸鹽。如果高峰需求延長了很長一段時間，并且儲熱被耗盡，那么燃燒天然氣，或者是未來的氫氣或生物燃料，就能提供額外的熱量用來發(fā)電。最近的一次研討會詳細研究了核能的這種新設計。

高溫反應堆的使用大型冷熱儲罐中的熔融硝酸鹽進行儲熱。這種儲熱系統(tǒng)首先被用于聚光太陽能熱電站，原因有二。首先，陰天時，云層遮住太陽，電力輸出可能會波動十幾次，儲能提供了恒定的熱量。第二，最近，熔融鹽儲熱使太陽能發(fā)電廠在太陽下山后仍能發(fā)電。儲熱的投資成本是20-30美元/千瓦時，比電池或抽水蓄能低一個數(shù)量級。

同時，儲熱比電池或抽水蓄能更有效。美國能源信息署（EIA）報告說，公用事業(yè)部門的電池系統(tǒng)的平均電-電效率為82%，抽水蓄能為79%。真正的公用事業(yè)儲電系統(tǒng)效率明顯低于一般宣傳的儲能系統(tǒng)的效率。損失發(fā)生在多個能量轉換環(huán)節(jié)中。在電池中，交流電被轉換為直流電，然后給電池充電，電池向電網(wǎng)輸電時正好相反。

所有這些能量轉換過程都有效率損耗，在一個先進高溫核反應堆中，硝酸鹽始終存在于中間環(huán)節(jié)。熱流不像電流那樣從反應堆流向電力循環(huán)，在中間環(huán)路中增加儲熱并不涉及能量轉換及效率損失。

氫氣生產(chǎn)

第二個市場是制氫。現(xiàn)在每年消耗約1000萬噸工業(yè)氫氣。隨著碳減排的推進，未來氫氣可能會占消耗的總能源的20%以上。這個市場有三個部分，一是氫氣作為化工原料，沒有替代品，包括化肥生產(chǎn)和將原油煉化。未來，氫氣將可能取代煉鐵中的焦炭，替代將生物燃料轉化為汽油、柴油的轉化媒介。這些替代燃料不需要對發(fā)動機進行任何改裝就可是使用。二是取代天然氣，特別是對于小型用戶來說，帶有碳捕獲功能的化石燃料的價格過于昂貴，而電加熱的價格是天然氣的六倍左右。三是作為未來的運輸燃料，但問題是如何生產(chǎn)氫氣。在這個問題上，氫氣與電力不同。氫氣的存儲成本很低，可以使用天然氣存儲設施。我們將天然氣產(chǎn)量的20%儲存起來，以滿足冬季的高峰需求。沒有必要使氫氣的生產(chǎn)與需求在每秒甚至每月的基礎上相匹配，因為氫氣可以儲存。

一條管道可以運輸能量約幾十億瓦的氫氣，而輸電線路則僅限于幾千億瓦。然而，跨洲運輸氫氣比天然氣更昂貴，因為氫氣的體積能量密度比天然氣的小幾倍。這推動了區(qū)域氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展。今天，我們正在逐步建立氫氣儲存設施和管線，連接煉油廠、化工廠和水力發(fā)電設施。

核能在這個市場上有潛在的競爭力。氫氣可以通過電解水或蒸汽制取，高溫電解（HTE）是最有效的技術，核電站可以提供電力和蒸汽，這是核能提供氫氣與電解液態(tài)水的內(nèi)在優(yōu)勢。然而，氫氣工廠的電解池和壓縮機投資成本不菲。

如圖3所示，水力發(fā)電站的容量系數(shù)必須很高，以生產(chǎn)廉價的氫氣。HTE較高的效率和對高容量系數(shù)的要求為核反應堆與制氫廠的耦合提供了經(jīng)濟優(yōu)勢，相比之下，風能或太陽能的容量系數(shù)較低。核電站的容量系數(shù)約為90%，而風能接近40%，太陽能則接近25%。雖然這樣的系統(tǒng)可以使用LWRs，但更高溫度的先進反應堆有很大的經(jīng)濟優(yōu)勢。HTE系統(tǒng)的效率隨著高溫蒸汽的增加而增加。更高的發(fā)電效率意味著每單位的氫氣必須產(chǎn)生更少的熱量。

低碳氫氣生產(chǎn)的主要競爭者是帶有碳捕獲和封存（CCS）的天然氣蒸汽-甲烷重整，對于化石電廠來說，這是一個昂貴的工藝，因為從煙氣中分離二氧化碳的成本高昂。然而，有一些蒸汽-甲烷重整工藝可以產(chǎn)生相對純凈的二氧化碳廢氣。如果這些工廠有良好封存地，從天然氣中提取氫氣可能是經(jīng)濟的。然而，橫貫大陸的氫氣運輸成本很高，這意味著這種氫氣可能會被限制在德克薩斯州等地，在那里成為像水電一樣的本地資源。氫氣另一個特征是，通過管道運輸20或30千兆瓦的氫氣在經(jīng)濟上是可行的，這與天然氣管道的能源運輸規(guī)模相同。

一條大型輸電線路可以運輸1或2千兆瓦，我們可以選擇建造與煉油廠相同規(guī)模的核氫氣生產(chǎn)綜合體，這是一個新的核工廠模式。將一個模塊化的核反應堆建在氫氣工廠旁。使用船廠的起重機將反應堆移動到制氫廠。這個方案將把核電廠變?yōu)楣S化運作，該模式使得氫氣生產(chǎn)能力可以在20年內(nèi)不斷增長，核能工廠替代了反應堆。