核能制氢面临的主要挑战与建议

在国家科技部“863”计划和国家科技重大专项的支持下，我国先后成功完成了10MW高温气冷实验堆（HTR-10） 的建设和球床模块式高温气冷堆核电站（HTR-PM）的研发。2021年12月20日，全球首座球床模块式高温气冷堆核电站——山东荣成石岛湾高温气冷堆核电站示范工程并网发电，意味着在该领域我国已成为世界核电技术的领跑者。为拓宽高温气冷堆及核能的应用范围，充分利用高温氦气的潜力提升发电效率、开发多用途高温工艺热利用场景，国家重点研发计划“核安全与先进核能技术”重点专项，支持了国内有关单位积极开展“高温气冷堆超高温特性研究与实验验证研究”等。

“核安全与先进核能技术”重点专项研究梳理了核能制氢发展面临的主要挑战与建议。

核能制氢创新发展面临的主要挑战

1.统筹考虑核能制氢的产能和用能协调性问题

目前，相关核能制氢研发项目是考虑将“超高温堆+中间换热器+工艺热利用回路”耦合在一起，研究分析通过中间换热器衔接的双系统耦合，并针对多种组合方案开展系统性能的研究，通过商用高温换热器设计和制造技术开发应用，突破产能单元和用能单元自成一体的问题，对反应堆系统能源网络开展优化设计，进一步提高其能源利用率和经济性。

这里用能单元拟采取碘硫循环制氢等热化学循环分解水制氢方法，可能过于单一。从核能制氢技术发展本身看，是否有更好的热化学制氢技术方法，做好反应堆产能与其高温工艺热制氢相互促进、协调发展，以全面提升核能制氢的先进性、可靠性及经济性。同时结合制氢原料选择，研究开发少排或不排CO2的新制氢技术工艺，已经十分重要。

2.核能制氢的经济性及应用前景的不确定性突出

氢气不仅是一种有发展前途的新能源，也是石油化工的重要原料，对化工产业转型十分重要。随着人们对燃料清洁性要求的日益提高，石化、氢冶金、氢能运输等发展对氢气的需求将越来越大。目前，石化领域氢气用量随着炼油厂和重质油加工比例的增大等原因而持续增加，工业氢的烃类水蒸气转化法（如天然气重整工艺等）和部分氧化法（POX）等生产方法和产业发展日益成熟，规模大、成本低。而部分氧化制氢气化技术能将低价值物料（重质高硫、高金属渣油、沥青以至焦炭、褐煤）转化为各种增值产品如电力、蒸汽、氢气和各种化学品，从而取代大量的轻质烃类原料，该技术发展成为既是工艺技术又是环境控制技术。氢气生产已像供水、供电、供汽等公用工程一样，是炼油厂必不可少的公用工程项目。同时，制氢装置向大型及超大型化发展，自动控制水平也在不断提高。为此，结合核能制氢技术工艺发展情况及实际需求，有必要深入探索核能制氢发展方向和重点，切实实现利用核热显著提高制氢效率，持续提升其市场竞争力。

为实现“双碳”政策目标，核能制氢碘硫循环等方法虽然能满足减少或消除碳排放的政策要求，但其工艺方法的成熟度、生产规模和经济性及其应用前景面临较大不确定性。从提高核能制氢的经济性和竞争发展的角度看，我国需要加大探索开发新的绿氢制备技术。

此外，有关部门正考虑在有条件的地区通过氢气管线和厂外能提供氢资源的企业联网建立更大规模的氢库系统，核能制氢的发展也要结合氢的安全等问题，统筹考虑氢的制备与储存和运输协调问题。

3.高温气冷堆制氢中间换热器的研制面临的挑战

中间换热器长期服役于高温、高压、腐蚀、粉尘等严苛环境，材料和结构面临长期的考验，为实现碘硫循环工艺或固体氧化物电解质电解(SOEC)技术，其设计温度高达950℃，随着出口提高到850℃以上，材料的高温蠕变性能出现明显的变化，长时承载能力显著下降。中间换热器出口集箱结构复杂，其焊缝处于结构热应力最大的位置，对焊接的质量要求较高，包括焊接工艺稳定性、焊缝强度满足设计要求以及焊接成功率高。不稳定的焊接工艺将会导致中间换热器使用寿命的降低，增加加工过程中的返工率和生产成本。目前，国产材料由于制造和焊接工艺等原因，其性能能否满足相关规范的要求尚需试验验证。考虑到目前相关核能制氢研发项目，针对中间换热器研制，开展了镍基合金换热板的微通道蚀刻工艺研究，为此，搞清楚能否在多种金属爆破一次焊接成型材料换热板上开展化学蚀刻的工艺研究，十分重要。

此外，选择及研发用能单元与产能单元耦合的技术及方式要充分考虑其对核安全评估的影响。

对策建议

为积极推进核能制氢创新发展，建议政府有关部门及相关企业在核能制氢工艺方法优化与改进、中间换热器及其部分关键部件研发制造、满足核安全要求的氢制备与储存和运输技术等方面，要在推动核能制氢全过程工程咨询服务业发展的基础上，立足实际，充分做好调研和评估工作，理性投资，积极增加一些新课题研发，加强核能界与相关各方的合作与交流，加快制氢环节科研技术开发。

当前，要以科技创新为驱动力，加强知识产权保护和标准引领，大力培养和引进核能制氢人才和研发企业，并考虑国外实地调研掌握最新国际动态，进一步明确和聚焦市场应用情景，重点探索新的工艺热利用制氢途径和方法研究，加大中间换热器的材料及制造工艺研发力度及经济性评价，切实提高核能制氢的实际应用价值，为核能制氢及其储运、应用的创新发展创造健康、有利的环境，为开展核能制氢商业示范工程建设奠定坚实基础。

在核能制氢工艺方法优化与改进方面。目前全球每年总共需要近亿吨氢气应用于氨的生产、有机物的加氢、石油精炼、金属冶炼、电子制造、产生高温火焰以及冷却热发电机等方面。但迄今为止，95%以上的氢气是通过化石燃料重整来获得，生产过程必然排出CO2。而电解水技术可实现CO2的零排放，约占全世界4%~5%的氢气生产量。相对于可再生能，核能发电电流密度高且稳定，可耦合采用固体氧化物电解质电解，但有待电极材料进一步研发成熟，同时可研究采用高压电解槽的SPE为质子交换膜（PEM）技术等，优化电解池堆集成技术、解决长时间运行性能衰竭等问题，持续降低电解的设备投资和生产成本。而同时铜氯循环反应技术(最高温度要求530℃)正在中试阶段，依然存在较大优化与改进空间，要考虑加大对不排或少排CO2的新制氢技术工艺，及其针对相关金属材料开展氢脆现象影响分析的支持力度，以打通不同温度下热化学制氢等路径，实现核能到氢能的高效转化，最终以实现核能制氢最优化的经济性为目标。

这里打通不同温度下热化学制氢路径，可为针对高温气冷堆一回路温度提升时反应堆物理、热工设计及运行的特性，开发适用于超高温运行的高效氦净化及再生系统工艺流程、关键净化设备，以及开展反应堆一回路压力容器、热气导管、堆内构件、蒸汽发生器等的运行分析评价及材料高温性能测试和提升等研究开发，争取更多宝贵时间，创造更宽松条件，在探索反应堆适应性的同时，实现核能制氢实际应用价值。

在中间换热器及其部分关键部件研发制造方面。建议考虑其多层镍基合金板能否采取多种金属爆破一次焊接成型，同时，可考虑碳碳材料或碳纤维材料等的选取。可结合多种金属爆破一次焊接成型材料特点及换热板微通道结构形式，调配蚀刻液成分、浓度、温度、流速、时间等工艺参数，研究不同形状流道的蚀刻方法，研发形成相适配的蚀刻工艺，精确控制蚀刻工艺参数，以保证蚀刻的微通道形状和尺寸。同时，开展金属爆破一次成型方法研制的中间换热器相关研究情况与氦-氦印刷电路板式（PCHE）中间换热器的扩散焊结构评价效果等的对比研究，多种途径开展中间热交换器安全设计演示验证，保障核反应堆与制氢厂的运行匹配，保证制氢厂的放射性水平足够低及规避氚的风险等。

在化学循环制氢工艺方法中关键设备材料方面。建议加强设备材料开发的经济性及可预测性评估，从而能够对选定制氢工艺方法的开发有确定性，也能更好评估选定技术的产氢经济性。在制氢储氢装备用材方面，建议加强基础材料抗氢性能和应用研究，如：铜及铜合金、镍基合金、钛及钛合金、铝合金、钨钼合金、碳碳材料等材料及其复合材料，实现既能满足制氢储氢装备要求，又能节约材料使用成本，节约稀贵金属资源。

在满足核安全要求的氢制备与储存等技术方面。主要针对有关方面的氢气管线和厂外氢库系统建设，兼顾核电厂与可再生能源混合能源系统制氢及灵活性电源建设等的需要，考虑制氢中稳态氢的催化剂、吸能材料等的开发利用，促进氢液化循环，加强氢脆及氢相关自动检测技术研究，提高核能制氢的压缩、储存安全，以便转换至液态便于远距离运输至氢液化基地。要在开展以制氢为目的核设施优化设计的同时，考虑石墨烯防爆材料应用等，加快相关催化剂和石墨烯防爆、抗氧化与耐腐蚀等材料及相关设备、工程屏障等的开发利用，切实满足核能制氢核安全“纵深防御”要求，保障核能大规模制氢的安全，以利于统筹规划，合理布局，规划建设符合核安全监管要求的核能制氢基地等，并满足核能制氢的商业出口要求。

（来源：中国核工业，作者：汪永平 本文为中国电促会核能分会专家组课题，作者为该课题执笔人，单位为中核工程咨询公司）