核能制氢综述

最近关于核能电池可能的应用又时不时被报道，高达万年以上的使用寿命令人咂舌。但如果将核能和氢能结合又会有怎样的能源前景呢？

大量集中式能源生产有利于使用核电厂，核电厂应以基荷模式运行，再由常规电厂承担高峰负荷。核电几乎没有空气污染物的排放。因此，核能似乎也是大规模集中制氢的理想选择。氢气的未来以及核能制氢的潜力将受到以下主要因素的影响：

石油和天然气的生产率。

社会和政府关于温室气体排放导致全球气候变化的决策。

节约化石资源用于环保应用的需要（用核能替代传统的工艺热生产可节约高达 40% 的资源）。

如果核供热的成本足够低，它可以帮助满足日益增长的能源使用率，替代昂贵的化石燃料发电，并取代老旧的热力发电厂。

通过扩大燃料储备保障能源安全，摆脱外国石油供给的不确定性。

大规模氢和合成燃料生产和运输的经济性。

一、第四代反应堆（VHTR）与HSTE（高温电解）的简介

1、HTSE简介

高温蒸汽电解法（HTSE）是电解法的一个主要变体，被认为在未来大有可为。与低温水电解不同，蒸汽阶段的电解总能量需求因汽化热而减少，汽化热可由热能而非电能提供，成本更低。从下图1中可以看出，随着温度的升高，输入的电量也在减少，在 800-1000 °C 的高温范围内，输入的电量比传统水电解低约 35%。

图1：水/蒸汽电解的能量需求

这种高温下的效率也明显更高。HTSE 工艺的优势在于，当与高效功率循环相结合时，其整体热氢效率较高。HTSE 相当于 SOFC 的反向工艺；设备可在两种模式下运行。因此，HTSE 的开发可能会受益于 SOFC 领域正在进行的研发工作。

2、VHTR和HTSE的结合

两者的主要区别在于，高温电解槽必须与热源和电源相结合。核电厂，尤其是第四代核电厂，可以提供电力，而且在 VHTR（超高温反应堆） 的情况下，还可以提供相对较高的温度和较高的净功率循环效率。超高温反应堆核电制氢示意如下图2：

图2：基于VHTR的核电制氢过程

从本质上讲，电解槽由固体氧化物电解质和沉积在两侧的导电电极组成。电解质是一种导氧陶瓷材料，通常是 Y2O3 稳定氧化锆（YSZ）和氧化镁。待解离蒸汽和一些氢气的混合物在 750-950 °C的温度下供应给氢电极。在氢电极-电解质界面，蒸汽被分离成氢气和氧气：

氧离子在约 1.3 V 的电势作用下穿过陶瓷电解质，直至在电解质-氧电极界面重新结合成氧气：

然后，氧气沿着阳极（通常由 YSZ 和掺杂锶的镧锰矿 (LSM) 复合材料制成）流动，而氢气蒸汽混合物则沿着氢电极（孔隙率约为 30% 的 Ni/YSZ 金属陶瓷）在电解质的另一侧流动。预热空气或蒸汽可用作吹扫气，以去除电堆中的氧气。吹扫气的目的是稀释氧气浓度，从而减少氧气接触部件的腐蚀。

纯氧可由电解堆产生，如果能开发出令人满意的材料和/或涂层来制造氧气处理（接触）部件，纯氧将成为一种宝贵的商品。在如此高的温度下，所有反应都进行得非常迅速。蒸汽-氢气混合物从电解堆排出，然后通过分离器将氢气从残余蒸汽中分离出来。进入 HTSE 电池的原料气流中含有 10% 的氢，以保持还原条件，避免氢电极中的镍被氧化。HTSE 电池可以在高电流密度下运行，因此可以在相对较小的体积内实现较大的生产能力。实际的电-氢效率约为 90% 似乎是可以实现的。需要进一步改进的主要问题仍然是氢电极的使用寿命，这受到降解（衰减）的限制。

能源需求的减少很大一部分与水的汽化有关，而水的汽化并不需要高温热量。一旦实现汽化，为使电解质具有足够高的离子传导性而达到高温所需的额外热量也可通过核加热、氢气和氧气产生的显热回收以及电池（堆）固有电阻的自加热来提供。氧的显热回收，以及电池（堆）因其固有电阻而产生的自加热。

至于电力需求，预计为 2.6-3 kWh/Nm3 H2。不过，还必须增加蒸汽生产所需的热量，以便为电池供电。生产热蒸汽和电池在高温下运行的过程需要固体氧化膜电解质。例如，Y2O3 稳定 ZrO2 既是气体分离器，又是电解质，当施加电压时，氧离子开始迁移。在 800 °C 左右的温度下进行蒸汽电解，其总效率（包括电能转换效率）在 35-45% 之间。在 900 °C 时，效率甚至会上升到 50%左右。

目前有待解决的两个主要问题是提高电池的长期性能，以及开发大面积电池的制造和装配技术，以降低商业化工厂的总体成本。

二、第四代反应堆的发展进展以及注意事项。

下一代核反应堆（第四代）预计将在 20-30 年后问世。然而，目前正在根据进一步推动核技术发展的要求，在安全和可靠性、防扩散和实物保护、经济性和可持续性等领域开发此类反应堆的概念。

未来，核电需要进一步提高安全标准。核反应堆的安全运行可以通过设计极低的堆芯损坏概率和程度来实现，即使发生严重事故，也能将后果降至最低，并限制其对厂址的影响。事故管理将得到进一步改善，公众不会受到影响，几乎不需要场外应急响应。要做到这一点，就必须有坚固的设计、高水平的固有安全性和透明的安全功能，并在国际范围内分享经验。为了具有竞争力，可靠性和性能必须达到很高的水平，这可以通过考虑技术改进以及提高个人和组织的绩效来实现。

必须加强国际保障措施，防止裂变材料在浓缩和后处理活动中被转用于武器。可以通过修改设计特征或其他创新措施和国际政策来控制核材料并确保其安全，使潜在的转用、盗窃或破坏行为失去吸引力，并使材料更难扩散。坚固的设计也是防止战争或恐怖主义行动的一种手段。

可持续性是指满足当代和子孙后代需求的能力，主要体现在核燃料的长期供应和乏燃料的管理方面，并要求满足环境目标。可获得的燃料资源至关重要，反应堆的部署对于每种潜在的燃料循环（如一次通过法、改进型开放式循环或燃料后处理）也同样重要。通过培育新的裂变材料或回收利用废燃料，可以延长资源的可用性。未来的放射性废料管理必须包括能够大幅减少安全储存、运输和处置废料数量的流程。

此外，大幅度降低毒性和不超过其自然极限的寿命将简化对储存库安全运行的要求。

总结：核能可以通过以下几种方式生产氢气。

(1) 天然气的核加热蒸汽转化

(2) 利用核能电解水、

(3) 利用核反应堆产生的少量热量和大量电能进行 HTE，以及

(4) 利用核反应堆的主要热量和次要电力进行水的热化学裂解。

现有的轻水反应堆仅适用于电解水，效率低于 30%。GIF 确定了未来开发的六种核反应堆系统，这些系统可以获得许可、建造和运行，以提供经济可靠的能源产品，同时圆满解决核安全、废物、核扩散和公众接受度等问题。在这六种技术中，VHTR反应堆是独一无二的既能发电又能制氢的技术，其潜在效率最高，约为 50%。它也被认为是最近部署的反应堆。由于这些重要特性，美国能源部选择它来示范下一代核电厂 (NGNP)，包括核热氢联产。