核能制氢技术及甲烷蒸汽重整、高温电解、热化学循环制氢等核能制氢工艺

化说氢能 2023-11-18

核能制氢就是利用核反应堆产生的热作为制氢的能源，通过选择合适的工艺，实现高效、大规模的制氢；同时减少甚至消除温室气体的排放。

核能是清洁的一次能源，目前在我国呈现出良好的发展态势。为实现核能可持续发展，国际上还提出核能系统概念，除了反应堆系统自身安全性、经济性等方面要重大改进外，还应重视核能的非法点利用，特别的是利用核能制氢。与传统方法相比，核能制氢具有高效、清洁、大规模、经济等多方面的优点。

01 核能制氢技术

核能制氢就是利用核反应堆产生的热作为制氢的能源，通过选择合适的工艺，实现高效、大规模的制氢；同时减少甚至消除温室气体的排放。

图1 核能制氢原理示意图

核能到氢能的转化途径较多，如图2所示，包括以水为原料经电解、热化学循环、高温蒸汽电解制氢，以硫化氢为原料裂解制氢，以天然气、煤、生物质为原料的热解制氢等。以水原料时，整个制氢工艺过程都不产生CO2，基本可以消除温室气体排放；以其他原料制氢时只能减少碳排放。另外，利用核电电解水只能核能发电与传统电解的简单联合，一般仍属于核能发电领域，一般不视为真正意义上的核能制氢技术。因此，以水为原料、全部或部分利用核热的热化学循环和高温蒸汽电解被认为是代表未来发展方向的核能制氢技术。

02 核能制氢的主要工艺

研究比较广泛的核能制氢工艺主要包括三种：甲烷蒸汽重整、高温电解、热化学循环分解水。

甲烷蒸汽重整

甲烷蒸汽重整（steam-methane reforming，SMR）是目前工业上主要的制氢方法，该方法通常以天然气为原料，成本低廉，但产生大量的温室气体。

CH4+2H2O=4H2+CO2

在催化剂存在天然气与水蒸气反应转化制得氢气。反应可以在较宽的温度范围下（500-950℃）进行，部分氢气来自水蒸气。制得的气体组成中，氢气含量可达74%（体积分数）。SMR是一种能源密集型的吸热过程，需要高温热输入。在传统的SMR法中，甲烷气既作为产生H2的反应物，又能燃烧作为反应的热源；需要消耗大量天然气并产生大量CO2排放。

当用核反应堆作为蒸汽重整的热源时，该过程所需要的甲烷气量可以显著减少，但不会消除CO2排放。对于日本和其他天然气成本较高的国家，经济分析表明用核反应堆产生的热进行天然气重整制得的氢气，其成本显著降低。

高温电解

电解技术适用于可以得到廉价电能或者需要高纯氢气的场合。电解反应需要大量的电能，取决于反应焓（或总燃烧热）、熵和反应温度。

H2O → H2+1/2 O2 -242kJ/mol

如果用高温气冷堆或者太阳能技术给系统提供高温热或蒸汽，电能消耗可以大幅度降低，实现高温（800-1000℃）电解，其优点是：

①热力学上需要的电能减少

②电极表面反应的活化能能垒易于克服，可以提效率

③电解池中的电力学可以得到改善

热化学循环制氢

由于水的直接分解需要2500℃以上的高温，在正常环境下不可行，所以考虑将热解过程通过热化学循环过程进行，即利用两个或多个热驱动的热化学反应相耦合，组成一个闭路循环；所有的试剂都在过程中循环使用；这样每一个都可以在较低的温度下进行。所需热源温度在800-900℃。热化学循环过程的热效率与卡诺循环相似，即高温可以提高转换效率。

03 核能制氢的安全性与经济性

安全性方面，核氢厂既有核设施又生产氢，安全问题至关重要。设计核反应堆和制氢设施耦合的安全问题主要有三类：

①制氢厂发生的事故和造成的释放，要考虑可能的化学释放对核设施的系统、结构和部件造成的伤害，包括爆炸形成的冲击波、火灾、化学品腐蚀等，核设施的运行人员也可能面临这些威胁

②热交换系统中的事件和失效，核氢耦合的特点就是利用连接反应堆一回路冷却剂和制氢工艺设施的中间热交换器（IHX），热交换器的失效可能为放射性物质的释放提供通道，或者使中间回路的流体进入堆芯

③核设施中发生的事件会影响制氢厂，并有可能形成放射性释放的途径。反应堆运行时产生的氚有可能通过热交换器迁移，形成进入制氢厂的途径，包括进入产品氢。

因此，核氢设施的设计要考虑的问题包括核反应堆与制氢厂的安全布置、核反应堆与制氢厂的耦合界面、中间热交换器安全设计、核反应堆与制氢厂的运行匹配以及氚的风险等。

经济性方面，核能制氢技术能否实现商业利用，不仅取决于技术本身的发展，而且还取决于所能实现的制氢效率以及生产氢的价格能否被市场所接受。目前经济性评估的主要问题是新技术的流程和模拟模型的不确定性，工艺性能的稳定性以及设备维修和更换费用等问题，另外核热和核电的价格目前也是不确定的，因此与其他制氢技术的经济性进行直接比较还有一些困难。

本文内容来源于：化说氢能，责任编辑：胡静，审核人：李峥

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