中國儲能網(wǎng)訊：化石燃料的大規(guī)模應(yīng)用，不僅引發(fā)了溫室氣體的急劇攀升，加劇了全球變暖的嚴(yán)峻態(tài)勢，還帶來了嚴(yán)重的空氣污染問題，對生態(tài)環(huán)境造成了不可逆轉(zhuǎn)的破壞。因此，減少二氧化碳排放、推動清潔能源技術(shù)的發(fā)展，已然成為各國政府和科研機構(gòu)肩負的重要使命。在全球范圍內(nèi)，能源危機和環(huán)境問題的持續(xù)惡化，促使各國積極探尋綠色、可持續(xù)的能源解決方案。在此背景下，氫能作為一種清潔、高效的能源載體，逐漸嶄露頭角，被視為能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵一環(huán)。氫氣燃燒的產(chǎn)物僅為水，使用過程中不會產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，且可廣泛應(yīng)用于交通、工業(yè)和電力等多個領(lǐng)域，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。而氫能的生產(chǎn)方式多種多樣，其中，核能制氫技術(shù)因其高效、可持續(xù)的特點，成為當(dāng)前氫能領(lǐng)域備受矚目的研究熱點。傳統(tǒng)制氫方法，如電解水、化石燃料重整等，雖有其應(yīng)用價值，但存在諸多局限性。化石燃料重整過程會釋放大量二氧化碳，加劇溫室效應(yīng)；電解水雖清潔，但效率較低且對電力需求較高，難以大規(guī)模應(yīng)用。相比之下，核能制氫技術(shù)依賴于核反應(yīng)堆提供的高溫?zé)崮芑螂娔?，能夠以更高的效率生產(chǎn)氫氣，并顯著減少溫室氣體排放，兼具環(huán)境和經(jīng)濟效益。
在國際范圍內(nèi)，眾多國家已將核能制氫技術(shù)納入其未來能源發(fā)展戰(zhàn)略之中。本文深入剖析了核能制氫技術(shù)的發(fā)展優(yōu)勢，全面梳理了國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究進展與應(yīng)用案例。通過對核能制氫技術(shù)的基本原理、技術(shù)路線以及不同國家研究進展的系統(tǒng)梳理，深入分析了核能制氫技術(shù)面臨的發(fā)展困境與技術(shù)挑戰(zhàn)，并在此基礎(chǔ)上提出了針對性的發(fā)展建議，以期為核能制氫技術(shù)的未來發(fā)展提供有益參考。
1 核能制氫的優(yōu)勢
核能制氫具有多方面的優(yōu)勢。首先，核能是一種低碳能源，其發(fā)電過程幾乎不產(chǎn)生溫室氣體排放。通過核能制氫，不僅能夠降低化石燃料制氫過程中的碳排放，還能夠在可再生能源供電不穩(wěn)定的情況下，提供穩(wěn)定的氫氣生產(chǎn)來源。相比于傳統(tǒng)的化石燃料制氫，核能制氫的碳足跡大大降低，符合全球應(yīng)對氣候變化的長期目標(biāo)。其次，核能制氫具有顯著的規(guī)?；瘽摿?。核電站的發(fā)電容量較大，特別是第四代核反應(yīng)堆和高溫氣冷堆等新型反應(yīng)堆技術(shù)的發(fā)展，使得核能制氫可以通過高效的熱化學(xué)過程實現(xiàn)大規(guī)模氫氣生產(chǎn)，滿足未來大規(guī)模清潔能源需求。再者，核能制氫技術(shù)還具有較高的效率。高溫氣冷堆等技術(shù)能夠提供超過750 °C的高溫?zé)嵩?，可以通過硫碘循環(huán)熱化學(xué)工藝以較高效率制取氫氣。相比于傳統(tǒng)的低溫電解水，熱化學(xué)制氫工藝由于減少了電力轉(zhuǎn)化步驟，整體效率更高，且生產(chǎn)過程更加穩(wěn)定。此外，核能制氫技術(shù)能夠與現(xiàn)有的核電設(shè)施相結(jié)合，減少基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本。一些核電站可以通過改造部分設(shè)備直接用于氫氣生產(chǎn)，既提高了電廠的綜合利用率，也使得核能制氫項目具有較好的經(jīng)濟效益。
因此，核能制氫不僅具備減少碳排放、提高氫氣生產(chǎn)效率的優(yōu)勢，還能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)，有望成為未來清潔能源供應(yīng)鏈的重要組成部分。
2 核能制氫的基本原理與技術(shù)路線
2.1 基本概念
核能制氫是指通過核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能或電能，利用物理或化學(xué)方法將水分解為氫氣和氧氣的過程。與傳統(tǒng)的氫氣生產(chǎn)方法（如天然氣重整）相比，核能制氫的優(yōu)勢在于其可以通過非碳基能源實現(xiàn)大規(guī)模的氫氣生產(chǎn)，極大地減少了二氧化碳的排放量。
核反應(yīng)堆中的核裂變反應(yīng)能夠釋放大量的熱量，這些熱量可以通過多種方式轉(zhuǎn)化為電能或直接作為熱源。核能制氫技術(shù)的核心在于如何有效地利用這些熱能或電能進行水分解。目前，核能制氫的技術(shù)路線主要包括高溫氣冷堆耦合熱化學(xué)循環(huán)、核電耦合低溫電解水等。
2.2 制氫技術(shù)路線
核能制氫的技術(shù)路線多種多樣，主要分為3類：高溫氣冷堆耦合熱化學(xué)循環(huán)、水熱解制氫（熱化學(xué)循環(huán)法）、以及核電站耦合電解水制氫。
2.2.1 高溫氣冷堆制氫技術(shù)
高溫氣冷堆（HTGR）制氫技術(shù)是目前核能制氫技術(shù)的重點研究方向之一。HTGR能夠提供高達750 °C至1000 °C的熱源，這使其成為熱化學(xué)水分解循環(huán)和高溫電解制氫技術(shù)的理想熱源。熱化學(xué)循環(huán)通過利用化學(xué)反應(yīng)鏈，分解水生成氫氣。
2.2.2 水熱解及熱化學(xué)循環(huán)法
熱化學(xué)循環(huán)法通過一系列化學(xué)反應(yīng)將水分解為氫氣和氧氣，整個過程通常分為若干步。常見的熱化學(xué)循環(huán)技術(shù)包括硫碘循環(huán)（S-I循環(huán)）和銅氯循環(huán)（Cu-Cl循環(huán)）。這些方法均依賴高溫?zé)嵩矗铱梢栽跓o電力輸入的情況下有效分解水。
硫碘循環(huán)法依賴核反應(yīng)堆產(chǎn)生的高溫?zé)嵩?，通過一系列化學(xué)反應(yīng)將水分解為氫氣和氧氣。銅氯循環(huán)則是另一種被廣泛研究的熱化學(xué)制氫技術(shù)，它通過利用銅和氯化合物的反應(yīng)來完成水的分解。
2.2.3 核電耦合電解水制氫技術(shù)
電解水制氫是目前最為成熟且廣泛應(yīng)用的制氫技術(shù)之一，其原理是借助直流電的作用，將水分子分解為氫氣和氧氣。低溫電解水技術(shù)適用于現(xiàn)有核電站的改造，利用核電站提供的電能進行氫氣生產(chǎn)。該方法的主要優(yōu)點是電解技術(shù)成熟且運行穩(wěn)定，缺點則在于其電力需求較高，整體效率不如熱化學(xué)制氫。
3 國內(nèi)外核能制氫的研究進展
3.1 國外核能制氫的研究進展
3.1.1 美國
美國在核能制氫領(lǐng)域的研究正處于快速發(fā)展階段，旨在滿足能源安全與環(huán)境保護的雙重需求。根據(jù)美國能源部（DOE）的政策，氫能，尤其在交通領(lǐng)域，成為解決這些問題的可行方案。自2002年發(fā)布《國家氫能技術(shù)路線圖》以來，美國便開啟了氫能技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略布局。2003年，氫燃料計劃應(yīng)運而生，進一步明確了氫能技術(shù)在能源轉(zhuǎn)型中的關(guān)鍵地位。2004年，《核氫啟動計劃》（NHI）的推出，更是將核能制氫技術(shù)的發(fā)展推向了高潮。
NHI的重點是開發(fā)由先進核系統(tǒng)驅(qū)動的高溫水分解技術(shù)，推動高溫電解（HTE）和熱化學(xué)循環(huán)等制氫方法的進展。愛達荷國家實驗室（INL）主導(dǎo)HTE研究，專注于固體氧化物電解槽（SOEC）技術(shù)的開發(fā)，涵蓋材料研發(fā)、電池實驗及流體動力學(xué)分析等。DOE的“下一代核反應(yīng)堆計劃”專注于開發(fā)高溫氣冷堆，提供950 °C的熱源用于硫碘循環(huán)（S-I循環(huán)）制氫。此外，美國還在研發(fā)釷基熔鹽堆（MSR）和鉛冷快堆（LFR），探索多種核能制氫路徑。INL及其他實驗室在熱化學(xué)制氫領(lǐng)域取得顯著成果。在商業(yè)化方面，美國政府和相關(guān)企業(yè)（如Energy Harbor）正探索在現(xiàn)有核電站中應(yīng)用電解制氫技術(shù)，以實現(xiàn)小規(guī)模的氫氣生產(chǎn)示范項目。這些努力使核能制氫的實際應(yīng)用前景不斷拓展。
3.1.2 日本
日本自20世紀(jì)70年代起開展核能制氫研究，主要集中在高溫氣冷堆和硫碘循環(huán)技術(shù)。日本原子能研究開發(fā)機構(gòu)（JAEA）在硫碘循環(huán)制氫方面取得重要進展，驗證了其在高溫氣冷堆條件下的可行性，并推動了工業(yè)規(guī)模的示范項目。研究還涵蓋了高溫電解水制氫和銅氯循環(huán)制氫技術(shù)。
近年來，日本政府推出多項政策，推動核能與氫能的結(jié)合，目標(biāo)是在2050年實現(xiàn)氫氣的大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用，尤其是在交通運輸領(lǐng)域，形成清潔能源產(chǎn)業(yè)鏈。目前，JAEA正在研究系統(tǒng)的可控性和部件的技術(shù)可靠性，計劃利用HTTR進行核氫技術(shù)示范，預(yù)計產(chǎn)氫率可達1000 m3/h。此外，日本規(guī)劃設(shè)計了大型硫碘循環(huán)（S-I循環(huán)）核氫廠（GHTGR300），反應(yīng)堆設(shè)計容量為600MWt，預(yù)計可實現(xiàn)0.6×106 m3/d的產(chǎn)氫率。日本與國際合作伙伴，如美國和法國，積極進行技術(shù)研發(fā)和數(shù)據(jù)共享，以促進核能與氫能的結(jié)合，推動氫能的廣泛應(yīng)用和清潔能源產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。
3.1.3 歐洲
歐洲的核能制氫研究主要集中在法國、德國和英國等國家。法國核能公司（EDF）、法國國家原子能委員會（CEA）在高溫氣冷堆和熱化學(xué)循環(huán)技術(shù)上具有豐富的經(jīng)驗，并在氫氣生產(chǎn)方面進行了大量的實驗研究。德國的卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）領(lǐng)導(dǎo)了多個核能制氫項目，探索如何利用高溫氣冷堆和熔鹽堆進行氫氣生產(chǎn)。此外，德國還與法國、瑞士等國合作，共同推動歐洲核能制氫技術(shù)的發(fā)展。在英國，核能制氫的研究重點是利用現(xiàn)有的核電站進行電解水制氫。英國政府推出了一系列政策，鼓勵企業(yè)探索氫氣生產(chǎn)的新途徑，并支持核能與氫能結(jié)合的技術(shù)開發(fā)。
3.1.4 韓國
2005年，韓國率先提出了氫經(jīng)濟計劃，旨在引領(lǐng)能源領(lǐng)域的變革。該計劃明確設(shè)定目標(biāo)，計劃在2020年前攻克氫燃料的生產(chǎn)、儲存和利用技術(shù)的關(guān)鍵難題，并在2030年前完成商業(yè)化示范，邁出氫能源應(yīng)用的關(guān)鍵一步。近年來，韓國能源委員會積極行動，批準(zhǔn)了核氫研發(fā)和示范計劃，為核氫技術(shù)的發(fā)展注入強大動力。這一計劃的最終目標(biāo)是在2030年前實現(xiàn)核氫技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，以此為支點，全力推動氫經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，助力韓國在全球能源轉(zhuǎn)型浪潮中占據(jù)有利地位。
3.1.5 加拿大
截至2023年，加拿大在核能制氫領(lǐng)域取得顯著進展，致力于利用核能作為低碳氫氣生產(chǎn)的來源，以支持清潔能源目標(biāo)和減排承諾。政府高度重視氫能發(fā)展，《氫能戰(zhàn)略》明確強調(diào)了核能在減少溫室氣體排放和推動氫經(jīng)濟中的重要作用。通過政策支持和資金投入，加拿大正積極推進氫能技術(shù)的商業(yè)化。加拿大核實驗室（CNL）專注于利用CANDU反應(yīng)堆進行電解水制氫，并通過國際合作加速技術(shù)開發(fā)。
加拿大積極參與國際合作，與美國、日本等國分享經(jīng)驗和技術(shù)。盡管在技術(shù)成熟度、經(jīng)濟性和公眾接受度等方面仍有挑戰(zhàn)，加拿大的核能制氫研究正穩(wěn)步推進，未來有望在清潔氫氣生產(chǎn)方面實現(xiàn)突破，為全球氫經(jīng)濟注入新動力。
3.2 國內(nèi)核能制氫的研究進展
中國在核能制氫領(lǐng)域的研究起步較晚，但近年來取得了顯著的進展。隨著中國政府對清潔能源的重視，核能制氫成為中國能源戰(zhàn)略的重要組成部分。中國核能制氫發(fā)展路徑及階段目標(biāo)。
3.2.1 清華大學(xué)的高溫氣冷堆研究
清華大學(xué)是中國核能制氫領(lǐng)域的領(lǐng)軍機構(gòu)。清華大學(xué)核能研究所主導(dǎo)了高溫氣冷堆（HTGR）的研究工作，并成功建成了世界首座高溫氣冷實驗堆。該實驗堆為中國核能制氫技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。清華大學(xué)的研究團隊還在探索如何利用HTGR進行硫碘循環(huán)制氫。實驗結(jié)果表明，HTGR提供的高溫?zé)嵩纯梢杂行?qū)動硫碘循環(huán)反應(yīng)，生產(chǎn)高純度氫氣。清華大學(xué)計劃通過進一步的實驗研究，推動這一技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。
3.2.2 中科院的熱化學(xué)循環(huán)研究
中國科學(xué)院也在核能制氫領(lǐng)域進行了廣泛的研究，重點集中在熱化學(xué)循環(huán)和銅氯循環(huán)等技術(shù)上。中科院的研究團隊與國際合作伙伴合作，開發(fā)了先進的熱化學(xué)制氫工藝，并在實驗室中取得了初步成功。此外，中科院還在探索利用低溫電解水技術(shù)與核電站耦合進行氫氣生產(chǎn)。通過與國家核電技術(shù)公司合作，中科院在核電制氫的實際應(yīng)用上邁出了重要的一步。
3.2.3 政策支持與未來規(guī)劃
中國政府近年來推出了一系列政策，鼓勵核能與氫能的結(jié)合。國家能源局和科技部都明確表示，將支持核能制氫技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，并為相關(guān)項目提供資金和政策支持。此外，地方政府也在積極推動核能制氫示范項目的落地，期望通過核能制氫為當(dāng)?shù)厍鍧嵞茉垂?yīng)做出貢獻。中國核能制氫的發(fā)展目標(biāo)是到2035年實現(xiàn)氫氣的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。通過與國際合作和自主研發(fā)，中國核能制氫技術(shù)有望在未來幾年內(nèi)取得進一步的突破，并逐步實現(xiàn)商業(yè)化。
4 核能制氫的技術(shù)挑戰(zhàn)
4.1 高溫反應(yīng)堆技術(shù)問題
高溫氣冷堆技術(shù)是核能制氫的核心之一，但其面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)不可忽視。首先是材料的高溫耐受能力問題。高溫氣冷堆需要在極高的溫度下運行，常規(guī)材料難以承受高溫下的長期腐蝕和輻射損傷。盡管目前已有一些耐高溫材料（如陶瓷和超合金）被應(yīng)用于實驗中，但其成本高昂且穩(wěn)定性有待進一步驗證。此外，高溫反應(yīng)堆的核安全性也是一個重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。反應(yīng)堆在高溫下運行，如何有效控制反應(yīng)堆的溫度，避免核泄漏和事故，是核能制氫研究的關(guān)鍵問題之一。現(xiàn)有的安全系統(tǒng)設(shè)計需要在高溫條件下進一步優(yōu)化，以確保氫氣生產(chǎn)過程中的絕對安全。
4.2 熱化學(xué)循環(huán)復(fù)雜性
熱化學(xué)循環(huán)雖然具有較高的效率，但其復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程和多步驟操作給工業(yè)化應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。硫碘循環(huán)等熱化學(xué)制氫方法需要多個反應(yīng)器和嚴(yán)格的溫控系統(tǒng)，反應(yīng)過程中的能量損耗較大，且設(shè)備的維護和管理成本較高。此外，熱化學(xué)反應(yīng)中的副產(chǎn)物處理問題也是制約該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的一個瓶頸。在工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)中，如何處理反應(yīng)中的中間產(chǎn)物和副產(chǎn)物，保證生產(chǎn)過程的連續(xù)性和經(jīng)濟性，仍然是需要解決的重要技術(shù)問題。
4.3 經(jīng)濟性與規(guī)?；魬?zhàn)
盡管核能制氫技術(shù)在環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展方面具有明顯優(yōu)勢，但其經(jīng)濟性仍是實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的障礙之一。當(dāng)前，核能制氫的成本較高，主要原因在于高溫氣冷堆和熱化學(xué)循環(huán)的建設(shè)與維護成本較大。此外，氫氣的市場需求和價格波動也對核能制氫的經(jīng)濟性產(chǎn)生了不確定性。為了實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，必須找到降低生產(chǎn)成本的途徑。一方面，可以通過技術(shù)創(chuàng)新提高熱效率，減少能量損耗；另一方面，政府的政策支持和市場激勵也是推動核能制氫發(fā)展的重要因素。
4.4 安全與環(huán)境問題
核能制氫涉及核反應(yīng)堆的高溫運行和大量氫氣的生產(chǎn)，這對安全性提出了極高的要求。反應(yīng)堆一旦發(fā)生泄漏，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的核事故。同時，氫氣本身是一種易燃易爆的氣體，如何確保氫氣生產(chǎn)、儲存和運輸過程中的安全性也是一個需要重點關(guān)注的問題。在環(huán)境方面，核能制氫雖然減少了二氧化碳排放，但反應(yīng)堆的輻射和廢物處理問題依然存在。特別是高溫反應(yīng)堆在運行中產(chǎn)生的核廢料和輻射防護問題，需要通過先進的技術(shù)手段加以解決。
5 核能制氫的未來展望
5.1 技術(shù)創(chuàng)新與突破
隨著核能制氫技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的技術(shù)創(chuàng)新將集中在提高效率、降低成本和改善安全性等方面。第四代反應(yīng)堆技術(shù)（如高溫氣冷堆和熔鹽堆）的進一步成熟，有望為核能制氫提供更加高效的熱源。此外，先進材料的應(yīng)用將解決高溫運行中的耐腐蝕和輻射損傷問題，從而提高反應(yīng)堆的運行穩(wěn)定性。在制氫工藝方面，熱化學(xué)循環(huán)的優(yōu)化和新型電解技術(shù)的引入也將顯著提升氫氣的生產(chǎn)效率。通過集成優(yōu)化，未來的核能制氫系統(tǒng)有望實現(xiàn)更加簡潔、高效的工藝流程，從而在大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用中具有更強的競爭力。
5.2 商業(yè)化與市場推廣
核能制氫的商業(yè)化進程將在未來幾年加速推進。隨著全球氫能需求的增加，特別是交通運輸和工業(yè)領(lǐng)域?qū)η鍧崥涞男枨?，核能制氫有望成為氫氣供?yīng)鏈中的重要一環(huán)。多個國家已經(jīng)啟動了核能制氫示范項目，驗證技術(shù)的可行性和經(jīng)濟性，預(yù)計在未來10至20年內(nèi)，核能制氫的商業(yè)化應(yīng)用將逐步擴大。市場推廣方面，政府的政策支持和國際合作將是推動核能制氫發(fā)展的關(guān)鍵。通過制定碳減排目標(biāo)、提供稅收優(yōu)惠和補貼，政府可以為核能制氫的商業(yè)化創(chuàng)造有利的環(huán)境。此外，全球范圍內(nèi)的技術(shù)合作和經(jīng)驗交流將加速技術(shù)的推廣和應(yīng)用。
5.3 未來挑戰(zhàn)
盡管核能制氫具有廣闊的應(yīng)用前景，但其發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)依然嚴(yán)峻。首先是公眾對核能安全性的擔(dān)憂。在推進核能制氫項目的過程中，如何增強公眾對核能安全的信心，減少對核事故的恐懼，是一個需要解決的社會問題。其次是技術(shù)和經(jīng)濟性的問題。核能制氫技術(shù)目前仍處于早期發(fā)展階段，尚未完全實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。未來的技術(shù)突破需要解決材料、反應(yīng)器設(shè)計、氫氣儲存和運輸?shù)纫幌盗袉栴}，以提高整體系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可行性。核能制氫的全球推廣也面臨著政策和法規(guī)的限制。不同國家對核能和氫能的政策支持力度各不相同，如何在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)核能制氫技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，也是未來需要重點關(guān)注的領(lǐng)域。
6 結(jié) 語
核能制氫是未來清潔能源發(fā)展的重要方向之一，憑借核能提供的高溫?zé)嵩?，可以大?guī)模、穩(wěn)定地生產(chǎn)氫氣，具有顯著的環(huán)保優(yōu)勢。盡管國內(nèi)外在核能制氫技術(shù)上已取得了初步成果，特別是在高溫氣冷堆和熱化學(xué)循環(huán)制氫方面，但大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用仍面臨諸多技術(shù)與經(jīng)濟挑戰(zhàn)。高溫反應(yīng)堆的材料問題、熱化學(xué)循環(huán)的復(fù)雜性以及氫氣生產(chǎn)過程中的安全性等問題，都是制約核能制氫發(fā)展的關(guān)鍵因素。未來，隨著核能技術(shù)的不斷成熟和市場需求的增加，核能制氫有望通過技術(shù)創(chuàng)新和政策支持實現(xiàn)突破，成為全球清潔能源供應(yīng)的重要組成部分。
