文 | 侯艷麗

作者供職于中車(chē)集團(tuán)

利用核能制氫為氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展開(kāi)辟了新的道路。

氫能是未來(lái)最有希望得到大規(guī)模利用的清潔能源；核能是高效、低耗、環(huán)保、清潔的代表。核能制氫將二者結(jié)合，進(jìn)行氫的大規(guī)模生產(chǎn)，是未來(lái)氫氣大規(guī)模供應(yīng)的重要解決方案，為可持續(xù)發(fā)展以及氫能經(jīng)濟(jì)開(kāi)辟了新的道路。目前美、日、韓、法等國(guó)都在開(kāi)展核能制氫的研究，我國(guó)200MW高溫氣冷堆商業(yè)示范電站建設(shè)項(xiàng)目已被列入國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)，被視為最有可能突破核能制氫反應(yīng)堆型。

核能制氫的基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用制氫方法主要是烴類(lèi)水蒸汽轉(zhuǎn)化、重油部分氧化和煤氣化等，其中95%以上的氫能來(lái)源于化石能源，在生產(chǎn)過(guò)程中存在污染嚴(yán)重、二氧化碳排放量大的問(wèn)題，還有少數(shù)情況采用水電解產(chǎn)氫的方法，但制氫效率偏低，這與未來(lái)能源發(fā)展高效化、清潔化的理念不符。

核能是低碳、高效的一次能源，其使用的鈾資源可循環(huán)再利用。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，人們已經(jīng)掌握了日益先進(jìn)、不斷成熟的核能技術(shù)，成為當(dāng)前人類(lèi)大規(guī)模工業(yè)制氫的最佳選擇。核能制氫是將核反應(yīng)堆與先進(jìn)制氫工藝耦合，進(jìn)行氫的大規(guī)模生產(chǎn)。核能制氫具有不產(chǎn)生溫室氣體、以水為原料、高效率、大規(guī)模等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)氫氣大規(guī)模供應(yīng)的重要解決方案。

目前核能制氫主要有電解水制氫和熱化學(xué)制氫兩種方式，核反應(yīng)堆分別為上述兩種方式制氫提供電能和熱能。

電解水制氫是利用核能發(fā)電，再通過(guò)電解水裝置將水分解成氫氣。電解水制氫是一種較為直接的氫氣制取方法，但該方法產(chǎn)氫效率（55%～60%）較低，即便采用最先進(jìn)的美國(guó)SPE電解水技術(shù)，將電解效率提升為90%。但由于目前大多數(shù)核電站的熱電轉(zhuǎn)換效率僅為35%左右，因此核能電解水制氫最終的總效率僅為30%。

熱化學(xué)制氫是基于熱化學(xué)循環(huán)，將核反應(yīng)堆與熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置耦合，以核反應(yīng)堆提供的高溫作為熱源，使水在800℃至1000℃下催化熱分解，從而制取氫和氧。與電解水制氫相比，熱化學(xué)制氫的效率較高，總效率預(yù)期可達(dá)50%以上，成本較低。

目前化學(xué)熱制氫主流方法包括碘硫循環(huán)和混合硫循環(huán)。碘硫循環(huán)由美國(guó)通用原子公司最早提出。其中的硫循環(huán)從水中分離出氧氣，碘循環(huán)分離出氫氣，碘硫循環(huán)是國(guó)際上公認(rèn)最具應(yīng)用前景的催化熱分解方式，日本、法國(guó)、韓國(guó)和中國(guó)都在開(kāi)展硫碘循環(huán)的研究。

混合硫循環(huán)最初由美國(guó)西屋電氣公司提出，包含2個(gè)主要化學(xué)反應(yīng)。將SO?電解產(chǎn)生硫酸和氫氣，硫酸高溫分解再次產(chǎn)生SO?，組成閉合循環(huán)。由于采用了高溫?zé)岷碗姡室哂诔Ｒ?guī)電解水生產(chǎn)氫。

熱化學(xué)制氫要求反應(yīng)堆能夠提供750～1000℃的高溫，其次要防止核反應(yīng)堆工作和熱化學(xué)循環(huán)在熱交換過(guò)程中發(fā)生交叉污染，還要考慮到安全性、經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題。

2 0 02年底，第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇（GIF）和美國(guó)能源部聯(lián)合發(fā)布了《第四代核能系統(tǒng)技術(shù)路線圖》，選出氣冷快堆、鉛冷快堆、熔鹽堆、鈉冷快堆、超臨界水冷堆、超/高溫氣冷堆六種堆型，作為GIF未來(lái)國(guó)際合作研究的重點(diǎn)。

第四代核能系統(tǒng)是一種具有更好的安全性、經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，核廢物量少，可有效防止核擴(kuò)散的先進(jìn)核能系統(tǒng)，代表了先進(jìn)核能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)前沿。在這6種堆型中，超/高溫氣冷堆的堆芯出口溫度為850℃～1000℃，具有固有安全性、高出口溫度、功率適宜等特點(diǎn)，具有核能制氫的商業(yè)應(yīng)用前景。

國(guó)外核能制氫研究現(xiàn)狀

作為氫能發(fā)展先行者和領(lǐng)導(dǎo)世界氫燃料電池發(fā)展的主要國(guó)家，美國(guó)從1970年開(kāi)始布局氫能技術(shù)研發(fā)。2002年，美國(guó)能源部發(fā)布《國(guó)家氫能發(fā)展路線圖》，標(biāo)志著美國(guó)“氫能社會(huì)”由設(shè)想階段轉(zhuǎn)入行動(dòng)階段。20 0 4年開(kāi)始執(zhí)行“核氫啟動(dòng)計(jì)劃（NHI）”。在下一代核電站計(jì)劃中要設(shè)計(jì)、建造高溫氣冷堆并用于制氫。主流的熱化學(xué)制氫法碘硫循環(huán)和混合硫循環(huán)均由美國(guó)公司研發(fā)得到。

常見(jiàn)燃料熱值比較

長(zhǎng)期受困于國(guó)內(nèi)資源短缺，日本是堅(jiān)持大力發(fā)展核氫技術(shù)的國(guó)家。自上個(gè)世紀(jì)80年代至今日本原子力機(jī)構(gòu)（JAE A）一直在進(jìn)行高溫氣冷堆和碘硫循環(huán)制氫的研究。1998年其開(kāi)發(fā)的3 0 MW高溫氣冷試驗(yàn)堆（HTTR）反應(yīng)堆首次實(shí)現(xiàn)臨界，2001年達(dá)成了滿功率運(yùn)行，2004年將出口溫度提高到了950℃。2014年4月日本制定《第四次能源基本計(jì)劃》，確定了加速建設(shè)和發(fā)展“氫能社會(huì)”的戰(zhàn)略方向。

法國(guó)原子能委員會(huì)（CEA）的核氫戰(zhàn)略是集中發(fā)展可以與核電或可再生能源耦合的、能夠可持續(xù)方式生產(chǎn)的制氫工藝。從2004年起，CEA就在執(zhí)行發(fā)展高溫蒸汽電解技術(shù)的重大項(xiàng)目，對(duì)電解器所有的問(wèn)題都進(jìn)行了研究。同時(shí)與Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（SNL）和GA公司進(jìn)行合作，進(jìn)行碘硫循環(huán)的試驗(yàn)。法國(guó)的《氫能計(jì)劃》提到，將從2019年起在工業(yè)、交通及能源領(lǐng)域部署氫能。

韓國(guó)政府在20 05年提出了氫經(jīng)濟(jì)計(jì)劃，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。自20 0 4年起，韓國(guó)開(kāi)始執(zhí)行核氫開(kāi)發(fā)示范計(jì)劃（NHDD），采用高溫氣冷堆和碘硫循環(huán)技術(shù)進(jìn)行核能制氫項(xiàng)目，建立了產(chǎn)氫率50NL/h的回路，正在進(jìn)行閉合循環(huán)實(shí)驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)核氫研究現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)布局

我國(guó)的核能制氫項(xiàng)目起步于“十一五”，研究了當(dāng)初的主流工藝熱化學(xué)循環(huán)和高溫蒸汽電解制氫，并進(jìn)行了初步運(yùn)行試驗(yàn)。在“十二五”期間，設(shè)立了國(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”，目的是掌握碘硫循環(huán)和高溫蒸汽電解的工藝關(guān)鍵技術(shù)。

清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院(INET)在國(guó)家“863”計(jì)劃支持下，于2001年建成了10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(HTR-10)，2003年達(dá)到滿功率運(yùn)行。而200MW高溫氣冷堆商業(yè)示范電站建設(shè)項(xiàng)目已被列入國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)，預(yù)計(jì)將于2021年建成投產(chǎn)，將具備核能制氫條件，在高溫氣冷堆技術(shù)領(lǐng)域已居世界領(lǐng)先地位。對(duì)核能制氫技術(shù)的研究也列為專(zhuān)項(xiàng)的研發(fā)項(xiàng)目，目前正在開(kāi)展第三階段的研究工作。

總體來(lái)看，當(dāng)前技術(shù)已完成了原理上的可行性研究和驗(yàn)證，總體上處于實(shí)驗(yàn)室或向中試前期過(guò)渡的階段。下一階段要針對(duì)工程材料、關(guān)鍵設(shè)備等涉及工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)研究。

當(dāng)前我國(guó)氫能發(fā)展處于初期，2019年《政府工作報(bào)告》首次寫(xiě)入氫能源后，各大央企從氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品推廣應(yīng)用等場(chǎng)景積極布局。其中，我國(guó)兩個(gè)核能集團(tuán)：中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司和中國(guó)廣核集團(tuán)有限公司成為這次氫能行業(yè)布局的“國(guó)家先鋒隊(duì)”成員。

(1)中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司

主流制氫方法成本對(duì)比

核能制氫項(xiàng)目：中核集團(tuán)范圍內(nèi)的核電、風(fēng)電、水電都存在一定的棄電現(xiàn)象。僅2018年中核集團(tuán)棄電量約有100億度，若用于電解水制氫，可生產(chǎn)氫氣20億Nm3，約17.8萬(wàn)噸，利用棄電制氫已經(jīng)具備了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模條件，從而解決中國(guó)核電能源消納問(wèn)題。為拓展核能多用途運(yùn)用，在2018年中核集團(tuán)聯(lián)合清華大學(xué)、中國(guó)寶武開(kāi)展核能制氫、核氫冶金項(xiàng)目合作研究。目前中核集團(tuán)已完成10NL/h制氫工藝的閉合運(yùn)行，建成了產(chǎn)氫能力100NL/h規(guī)模的臺(tái)架并實(shí)現(xiàn)86小時(shí)連續(xù)運(yùn)行連續(xù)運(yùn)行。中核集團(tuán)利用高溫氣冷堆蒸汽品質(zhì)好、固有安全性高的特點(diǎn)將高溫氣冷堆與熱化學(xué)循環(huán)制氫技術(shù)耦合，可以大量生產(chǎn)氫氣，目標(biāo)建成一座600MW超高溫氣冷堆，與一座產(chǎn)氫50000Nm3/h的熱化學(xué)制氫工廠匹配生產(chǎn)。

核氫冶金項(xiàng)目：2019年1月15日，中核集團(tuán)、清華大學(xué)、中國(guó)寶武三方簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，三方將資源共享，共同打造世界領(lǐng)先的核冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。目前中核集團(tuán)的依托《框架協(xié)議》開(kāi)展核能制氫冶金技術(shù)研發(fā)，對(duì)國(guó)內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)研，分析氫能產(chǎn)業(yè)宏觀布局、技術(shù)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)成本等因素后明確氫能產(chǎn)業(yè)鏈的主要切入點(diǎn)，完成產(chǎn)業(yè)布局頂層設(shè)計(jì)。中核集團(tuán)遠(yuǎn)期的目標(biāo)是在2030年后，利用已成熟的核能制氫和棄電制氫為產(chǎn)業(yè)源頭，開(kāi)拓儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、氫燃料電池中下游產(chǎn)業(yè)。

(2)中國(guó)廣核集團(tuán)有限公司

中廣核是是中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用聯(lián)盟成員，國(guó)內(nèi)“五大四小”電力企業(yè)中唯一擁有燃料電池電站的運(yùn)營(yíng)商。在韓國(guó)擁有十幾兆瓦的燃料電池電站，采用美國(guó)的MCFC燃料電池發(fā)電技術(shù)。

2017年4月，中國(guó)廣核集團(tuán)聯(lián)合中金前海發(fā)展（深圳）基金管理有限公司、清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院在中國(guó)（廣東）自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)深圳前海蛇口片區(qū)發(fā)起成立氫能基金，該基金總規(guī)模30億元人民幣（一期規(guī)模10億元）。

2019年4月12日，中國(guó)廣核集團(tuán)下屬子公司中廣核資本、中廣核產(chǎn)業(yè)投資基金與南都電源簽署《氫能產(chǎn)業(yè)基金合作框架協(xié)議》，共同成立深圳白鷺氫能產(chǎn)業(yè)股權(quán)投資基金合伙企業(yè)，總規(guī)模擬定為5-10億元，主要投資于氫能及燃料電池領(lǐng)域。

核能制氫展望

國(guó)際上的能量供應(yīng)主要來(lái)源于煤炭、石油等化石能源，這也導(dǎo)致日益嚴(yán)重的能源枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題。因此，尋求更加高效、清潔能源進(jìn)行替代成為了必然趨勢(shì)。氫能具有環(huán)保、高效、來(lái)源豐富、運(yùn)輸方便和應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，起著保障國(guó)家能源安全和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)作用，是未來(lái)最有希望得到大規(guī)模利用的清潔能源。而核能是高效、低耗、環(huán)保、清潔的代表，地球上可供開(kāi)發(fā)的核燃料資源、可提供的能量是礦石燃料的十多萬(wàn)倍。核能制氫將二者結(jié)合，是為可持續(xù)發(fā)展以及氫能經(jīng)濟(jì)開(kāi)辟道路，推動(dòng)形成綠色發(fā)展和生活方式，在當(dāng)前形勢(shì)下，具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前國(guó)際上各大發(fā)達(dá)國(guó)家都在積極的進(jìn)行核能制氫項(xiàng)目的研究與開(kāi)展，力圖早日邁入氫能經(jīng)濟(jì)社會(huì)。我國(guó)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，處于世界領(lǐng)先地位。在發(fā)展核氫戰(zhàn)略中，需要政府加大政策支持和投入保障力度，盡快落實(shí)建設(shè)60萬(wàn)千瓦高溫氣冷堆核能工程；大力發(fā)展和引進(jìn)核能制氫人才和研發(fā)企業(yè)，提高專(zhuān)業(yè)研發(fā)能力，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)范圍。