高溫氣冷堆制氫的發展現狀及建議

張平

(清華大學核能與新能源技術研究院)

1、核能制氫技術及其發展現狀

核能是一種可大規模利用的零排放清潔能源，不排放二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物，是實現碳中和目標的重要能源技術選項，在電力系統低碳轉型、供熱方案深度脫碳、支撐綠色氫能發展等方面都具有重要的戰略意義。

按照“十四五”規劃，我國核電裝機容量要在2025年達到7000萬千瓦。在“雙碳”目標的大背景下，業內普遍預測到2030年在運核電裝機規模1億千瓦，2035年在運和在建核電裝機容量合計達到2億千瓦，核電發電量有望超過美國，核電占比將上升到10%左右。

與可再生能源相比，核能能量密度高，反應堆功率較大，運行穩定，一般可作為基荷使用。將核能與可再生能源合理匹配使用，可以進一步發揮各自的特長。目前核能的使用以發電為主，若能用于制氫，不但可以提供大規模、高效、穩定的氫氣供應方案，還可以拓展核能的應用領域，提高經濟性。

核能制氫主要技術路線及其特點簡述如下：

核熱輔助的碳基燃料重整。目前化石燃料轉化制氫過程中，煤、天然氣等既作為制氫過程原料，又作為吸熱反應的燃料。如果利用高溫氣冷堆的工藝熱，替代化石燃料或生物質熱解或重整制氫過程中作為熱源的部分，可以減少化石資源的用量，并降低相應的碳排放。以天然氣重整為例，目前天然氣蒸汽重整制氫每生產1千克氫氣需要消耗3.5千克天然氣，產生大約8.8千克二氧化碳。由于重整過程為強吸熱反應，需要額外的燃料燃燒提供需要的熱，也產生大量的二氧化碳排放。如果用高溫堆工藝熱作為甲烷重整熱源，可以顯著減少作為燃料的天然氣用量。根據日本原子力機構的計算，與傳統的蒸汽重整過程相比，可以減少約三分之一的用作燃燒燃料的天然氣用量，也減少相應份額的二氧化碳排放。該技術成熟度高，與高溫氣冷堆耦合重點需要開發氣體加熱的甲烷重整器，可借鑒相關領域的技術，適于近期或中期布置。

高溫熱化學循環分解水。水的直接熱分解是原理上最簡單的制氫方法，但熱力學分析表明在溫度高于2500開爾文時，水的分解才比較明顯;而在此條件下的材料和分離問題都很難解決，在工程上基本是不可行的。通過將兩個或多個化學反應耦合、形成閉合循環過程，多個反應凈結果為水分解產生氫氣和氧氣，這就是熱化學循環分解水制氫。該方法可以在相對較低的溫度下(如800攝氏度)實現水分解，具有制氫效率高、易于放大、與高溫反應堆耦合特性好等特點，被認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、具有工業應用前景的過程包括碘硫循環和混合硫循環。目前該方法處于實驗室到中試研發階段。

高溫蒸汽電解。用高溫氣冷堆或者太陽能技術給系統提供高溫熱、低溫熱或蒸汽，電能消耗可以大幅降低，實現高溫下的蒸汽電解。其優點包括：熱力學上需要的電能減少;電極表面反應的活化能能壘易于克服，可以提高效率;電解池中的動力學可以得到改善等。該方法處于實驗室到中試過渡階段。

核電電解水制氫。目前廣泛應用的核反應堆為壓水堆，由于其蒸汽出口溫度約320攝氏度，難以與熱化學循環、高溫電解、甲烷蒸汽重整等方法耦合，但可以利用核電經堿性電解或質子交換膜(PEM)電解實現制氫。在電力過剩、核電經濟性好或者需要高純氫氣的場合，可采用核能發電再經常規電解方法制氫。在這種情況下，反應堆與制氫過程耦合不需要像其他制氫方法那樣需要流體及熱力學的連接，僅通過方便的電力傳輸即可實現。該方法成熟度高，技術上基本不存在障礙，但從核能到氫能的整體轉化效率較低。

核能制氫作為大規模綠氫制備的有效途徑，受到美國、日本、法國、英國等核能大國的高度關注。近年來多個國家紛紛加大研發力度和產業化推廣，并給予政策支持。

日本從上世紀八十年代即開始核能制氫研發，在熱化學碘硫循環方向上進行了持續深入的研究，建成了工程材料制作的實驗室規模碘硫循環試驗臺架，并對核能制氫安全性、經濟性及制氫廠與反應堆的耦合進行了廣泛研究。在日本發布的氫能研發規劃中，明確將高溫堆制氫作為未來氫氣制備的重要方法。

美國一直在推進核能制氫研究，主要聚焦高溫蒸汽電解、混合硫循環及碘硫循環等技術研發。2020年10月，美國能源部啟動了首個利用核能的高溫蒸汽電解制氫項目。

法國發布《制氫方法》，明確核能發電制氫具有可控和無碳雙重優勢，法國原子能委員會的核氫戰略是集中發展可以與核電或再生能源耦合的、能夠可持續生產的制氫工藝，對高溫蒸汽電解技術、碘硫循環進行了深入研究。

英國核工業委員會2021年2月通過的《氫能路線圖》提出，到2050年核能制氫將提供英國氫能總需求量的三分之一，計劃使用大型核電站、小型模塊化反應堆和先進模塊化反應堆通過常規電解、電解高溫蒸汽、高溫分解水等方式制氫。英國正在研究支持核能制氫的有關政策，包括將加大先進模塊化反應堆(超高溫氣冷堆)研發、將核能制氫歸類為綠氫、將零碳發電生產綠氫作為首選方案、建立一個積極的碳價體系，以及給予設立資助、補貼計劃和政府直接融資等。

加拿大國家核實驗室、安大略理工大學等多年來一直致力于與超臨界水堆耦合的銅氯循環的研發，建成閉合循環臺架，并提出開展中試的計劃。

韓國政府也在2005年提出了明確的支持高溫氣冷堆及相關制氫技術的研發規劃，印度、俄羅斯等國也都開展核能制氫的研究。此外國際原子能機構、國際經合組織核能署等機構對核能制氫也高度關注，并支持了多個協調項目。

2、高溫氣冷堆及核能制氫技術發展與路線討論

高溫氣冷堆具有固有安全性好、冷卻劑出口溫度高的優點，除發電外，在制氫、高溫蒸汽供應等核能綜合利用方面具有優勢，是第四代先進核能系統的優選堆型。我國從上世紀七十年代即開始了高溫氣冷堆研發工作，2001年在清華大學核研院建成了10兆瓦高溫氣冷實驗反應堆，2003年實現了滿功率運行;之后開展了包括在氦風機停止運行情況下的安全性驗證在內的大量研發工作。2006年，國家設立了“大型先進壓水堆與高溫氣冷堆核電站”國家科技重大專項;在清華大學、中核集團、華能集團等單位通力合作之下，重大專項工作取得了大量重要進展與成果，2021年9月高溫氣冷堆示范電站首次達到臨界，2022年12月達到了雙堆初始滿功率，實現了“兩堆帶一機”模式下的穩定運行，為工程投產商運奠定了基礎。這些成果標志著我國在高溫氣冷堆領域的發展居于國際領先水平。

如果將高溫氣冷堆技術與先進制氫技術耦合，可實現大規模、高效、持續、穩定制取無碳排放的氫氣，有望成為我國大規模供應氫氣的重要解決方案之一，也是占領第四代核能技術、核能制氫及其綜合利用制高點的重要突破口。在重大專項支持下，清華大學從2006年開始了以高溫氣冷堆工藝熱應用為背景的熱化學循環分解水制氫和高溫蒸汽電解制氫技術的研發，“十二五”期間建成集成實驗室規模的制氫裝置并實現了連續運行，解決了制氫技術的關鍵工藝問題;“十三五”期間，重點開展了熱化學循環制氫關鍵設備、中間換熱器、核能制氫安全性等方面的研究，目前正在進行設備放大、中試規模制氫廠設計等工作，已具備開展中試規模驗證和示范的條件。

當前，高溫氣冷堆制氫正處在研發的關鍵時期，關鍵技術有待加快突破。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，在超高溫運行狀態下相關反應堆物理熱工設計、安全分析、工程材料研發，以及中間換熱器等關鍵設備研制、熱化學制氫工藝中試階段的設備放大、系統優化以及與高溫堆耦合等方面面臨一系列工程化挑戰，后續亟需保持持續穩定、高強度的研發投入，開展高溫堆制氫中試規模示范及以核能制氫為核心的氫、電、熱綜合供應及其在工業領域的應用研究，繼續保持我國高溫氣冷堆領域的領先技術優勢。

在技術路線方面，由于高溫氣冷堆工藝熱供應方面具有獨特優勢，制氫技術應考慮以主要利用高溫工藝熱、減少甚至消除制氫過程碳排放的路線。為此，近期到中期可重點發展技術相對成熟、可減少碳排放的核熱輔助的甲烷重整，進行工程規模示范;開展無碳排放的熱化學循環制氫中試示范;中遠期實現以熱化學循環分解水制氫技術為核心的高溫堆綜合能源供應，并實現與氫冶金、石油化工等大規模用氫場景的結合。

3、推進高溫氣冷堆制氫中試及商業示范的建議

核能制氫前景廣闊，高溫氣冷堆制氫有望成為我國核能制氫產業領先世界、實現高水平科技自立自強的一個重要突破口。根據我國技術和產業發展現狀，我們認為到2035年可以實現高溫氣冷堆制氫技術規模化發展，力爭到2060年高溫氣冷堆制氫形成每年生產2000萬噸氫的能力，供給我國15%~20%的氫能需求，與核能發電在電力供應中的地位相匹配。為此提出如下建議：

一是將高溫氣冷堆制氫作為我國氫能戰略的重要組成部分。建議在研究制定國家氫能戰略及發展路線圖時，將核能制氫，特別是高溫氣冷堆制氫作為氫能戰略的重要組成部分。

二是將高溫氣冷堆及其制氫技術列入新一批國家科技重大專項繼續給予支持。美國、日本等相關國家已經在加快高溫氣冷堆研發，我國高溫氣冷堆、熱化學循環制氫等技術的研究正在關鍵階段，需要長期大量的投入。建議加大研發支持力度，統籌考慮核能發展的技術布局，將高溫氣冷堆及其制氫技術列入新一批國家科技重大專項，進一步鞏固我國在該領域的領先地位。

三是加強科普及宣傳工作，提升公眾對核能及氫能的認知和接受度。核電長期面臨公眾可接受性和鄰避效應問題，民眾擔憂與地方壓力已經成為制約我國核能發展的重要因素之一，也相應影響了核能制氫技術的發展。需要面向公眾加強多角度、多渠道的教育和宣傳工作。