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作者：Shinji Kubo
來源：The Roles of Nuclear Energy in Hydrogen Production[J].Engineering,2022,16(9):16-20.
編者按
在全球能源向清潔化、低碳化發(fā)展的趨勢下，發(fā)展氫能已經(jīng)成為當(dāng)前世界能源技術(shù)變革的重要方向。核能是一次能源，氫能是二次能源，核能可以通過在制氫過程中發(fā)揮作用，為替代化石資源作出貢獻(xiàn)。
中國工程院院刊《Engineering》2022年第9期刊發(fā)《核能在制氫領(lǐng)域發(fā)揮重要作用》一文。文章指出，基于能量形式的轉(zhuǎn)換，核能可以提供制氫所需的熱能和（或）電能的一次能源，為制氫過程中的化學(xué)反應(yīng)提供適宜的溫度水平。文章提到，可以利用核能制氫的方法包括電解、熱化學(xué)循環(huán)和碳?xì)浠衔镏茪浞?，可提供的溫度水平取決于反應(yīng)堆類型，因此每種類型的反應(yīng)堆必須與合適的制氫方法相結(jié)合。輕水反應(yīng)堆、快中子增殖反應(yīng)堆和高溫氣冷反應(yīng)堆都可以為電解提供能量。由于相關(guān)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的溫度范圍有限，高溫氣冷反應(yīng)堆適合作為熱化學(xué)循環(huán)（硫族）以及甲烷重整和熱解的熱源。
一、核能作為一次能源，氫能作為二次能源
化石資源在地球上分布不均，作為一種有限的一次能源，被廣泛用于工業(yè)（工廠等）、交通運輸（汽車等）和能源轉(zhuǎn)換（發(fā)電等）。必須提及的是，大量消耗化石資源是不可持續(xù)的?？商娲剂夏茉吹囊淮文茉窗稍偕茉春秃四?，而氫能有可能成為二次能源，在工業(yè)中有各種用途，包括將氫氣作為化工產(chǎn)品的原料、還原劑和燃料。例如，國際能源署（IEA）提供了一個到2050年實現(xiàn)凈零排放的路線圖，指出全球大約需要530 Mt?a-1氫氣。這大約是2020年氫氣需求（約90 Mt?a-1）的6倍。
核能可以在不使用化石資源的情況下提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。核能還可以平衡可再生能源產(chǎn)量的波動，并生產(chǎn)可用于各種用途的氫氣。將一次能源轉(zhuǎn)化為氫氣中的化學(xué)能正變得越來越重要。本文從能量形式轉(zhuǎn)換的角度，描述了核能作為一種一次能源在制氫中可以發(fā)揮的作用。
二、利用核能制氫的方法
圖1展示了利用核能制氫所涉及的能量形式轉(zhuǎn)換。作為二次能源，氫氣可以通過將水或碳?xì)浠衔铮ɑY源）作為原料加入核能（一次能源）來生產(chǎn)。也就是說，這個過程將核能轉(zhuǎn)化為氫氣的化學(xué)能。產(chǎn)生熱能的核反應(yīng)堆包括以下反應(yīng)堆類型，每個反應(yīng)堆的熱能可用溫度從低到高排序：輕水反應(yīng)堆（冷卻劑：水）；快中子增殖反應(yīng)堆（冷卻劑：鈉），以及高溫氣冷反應(yīng)堆（冷卻劑：氦氣）。
圖1. 利用核能制氫的能量形式轉(zhuǎn)換。
直接熱能或發(fā)電轉(zhuǎn)換的電能通過能量轉(zhuǎn)換方法，將原材料轉(zhuǎn)化為氫氣。產(chǎn)生的氫氣可以儲存起來，輸送給消費者的氫氣有廣泛的用途（作為燃料、化學(xué)原料、還原劑等）。
圖2總結(jié)了可以利用核能的制氫方法、所需原材料和所需的驅(qū)動能源形式。
圖2. 利用核能制氫的方法。PEM：聚合物電解質(zhì)膜。
圖2所示的前兩種制氫方法涉及水的電解。液態(tài)水的低溫電解可以通過堿性水電解或使用聚合物電解質(zhì)膜（PEM）進(jìn)行，這一過程使用電能。另一種方法是高溫蒸汽電解，這一過程使用熱能和電能。
圖2中所示的兩種方法涉及熱化學(xué)循環(huán)。熱化學(xué)分解水通過將低溫區(qū)域的放熱化學(xué)反應(yīng)和高溫區(qū)域的吸熱化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合產(chǎn)生氫氣?；旌闲蜔峄瘜W(xué)分解水在整個化學(xué)反應(yīng)循環(huán)的某些部分使用電能。
圖2中，下方所示的兩種制氫方法涉及使用碳?xì)浠衔镒鳛樵系奈鼰峄瘜W(xué)反應(yīng)。用核電補充化學(xué)反應(yīng)所需的熱量，可以減少制氫中的化石資源消耗。用碳?xì)浠衔锖退茪涞恼羝卣ㄊ且豁棾墒斓墓I(yè)技術(shù)，而正在開發(fā)中的甲烷熱解法則將甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣和固體碳。
三、電解水
氫氣可以通過電解水獲得。電解水的化學(xué)方程式如下所示：
由于低溫水電解法可以僅由電能驅(qū)動，因此可以使用輕水反應(yīng)器、快中子增殖反應(yīng)器或高溫氣冷反應(yīng)器作為能源。高溫蒸汽電解所需的水汽化熱（i）也可以由輕水反應(yīng)堆、快中子增殖反應(yīng)堆或高溫氣冷反應(yīng)堆提供。
圖3（b）展示了一個能量轉(zhuǎn)換圖，它利用高溫蒸汽電解將核熱能轉(zhuǎn)換為氫氣。該能量轉(zhuǎn)換圖以?效比為指標(biāo)（縱軸），比較了能量轉(zhuǎn)換前后的焓值和?值。一定溫度下的熱?效比表示當(dāng)溫度下降到環(huán)境溫度（25 ℃）時潛在可用功（相對于焓）的百分比。原則上，制氫效率隨著發(fā)電效率的提高而提高，從而導(dǎo)致更高的?效比；也就是說，反應(yīng)堆溫度可以按以下順序排列：輕水反應(yīng)堆<快中子增殖反應(yīng)堆<高溫氣冷反應(yīng)堆。
圖3說明了使用高溫氣冷反應(yīng)堆在900 ℃的溫度下（作為示例）加熱生產(chǎn)1 mol氫氣的過程。900 ℃時的熱?效比為0.53。因此，原則上從焓值為456 kJ的熱量中可以獲得242 kJ的電能，另外214 kJ必須作為廢熱排放到低溫環(huán)境中。此外，在100 ℃時可以從焓值為44 kJ的熱量中獲得1 mol的水蒸氣。由于氫的標(biāo)準(zhǔn)?效比為0.83，因此電能和水蒸氣轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的氫氣的焓值為286 kJ，?值為237 kJ（?損失為10 kJ）。
這樣，以核熱能為出發(fā)點，將其轉(zhuǎn)化為氫能的高溫蒸汽電解法可以理解為：原則上，456 kJ的熱量（900 ℃）和44 kJ的熱量（100 ℃）可以得到1 mol的氫氣。由于?效比約為0.5（900 ℃）的核熱能被轉(zhuǎn)化為?效比約為0.8的氫能，因此該過程必須包括近一半熱能的廢熱。就像用于提高能源質(zhì)量的熱泵一樣，通過將具有約0.1（100 ℃）?效比的核熱能轉(zhuǎn)化為具有高?效比的氫能，低溫?zé)崮芸梢缘玫接行Ю谩?
四、熱化學(xué)循環(huán)
水的直接熱分解需要幾千度的高溫。熱化學(xué)循環(huán)是通過結(jié)合各種化學(xué)反應(yīng)在更實用的1000 ℃或更低的溫度水平下熱分解水的方法。作為熱化學(xué)循環(huán)的示例，碘硫（IS）工藝（也稱為SI工藝）和混合硫工藝的硫族循環(huán)如下所述。
IS過程由以下三個化學(xué)反應(yīng)組成：
由于IS工藝和混合硫工藝需要600 ℃以上的高溫反應(yīng)場來驅(qū)動硫酸分解反應(yīng)（在實踐中，應(yīng)該在850 ℃左右才能獲得高轉(zhuǎn)化率），因此高溫氣冷反應(yīng)堆適合作為熱源。
圖4（b）是用熱化學(xué)循環(huán)將核熱能轉(zhuǎn)化為氫能的能量轉(zhuǎn)換圖。原則上，1 mol的氫氣可以從447 kJ的熱量（900 ℃）中獲得。通過耗盡近一半約0.5（900 ℃）?效比的核熱能，可以將核熱能轉(zhuǎn)化為具有約0.8高?效比的氫能。
五、甲烷制氫
圖5（b）顯示了利用核熱能將甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣的能量轉(zhuǎn)換圖。甲烷的?效比約為0.9。通過在甲烷中加入?效比約為0.5的核熱能，可以得到焓值為286 kJ、?為237 kJ的氫氣。
因此，利用核熱能將甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣的過程可以理解為：如果不提供核能，將需要1.28倍的甲烷量（包括提供反應(yīng)熱量的燃料）；原則上，使用核能可以節(jié)省這一數(shù)量的甲烷。通過在使用甲烷的吸熱反應(yīng)中加入具有約0.5?效比（900 ℃）的核熱能，就像放入熱泵一樣將低質(zhì)量的熱能抽到具有高?效比的氫氣水平，從而提高了該能源的質(zhì)量。在這種轉(zhuǎn)換中，由于原則上不產(chǎn)生廢熱，因此核熱能可以得到有效利用。
圖5. （a）甲烷制氫反應(yīng)的ΔH-T和ΔG-T圖；（b）甲烷制氫的能量轉(zhuǎn)換圖。
六、核能制氫的優(yōu)勢
在一些電氣化無法覆蓋的工業(yè)應(yīng)用中，氫氣（作為燃料、化學(xué)原料、還原劑等）可以發(fā)揮價值。本文基于能量形式的轉(zhuǎn)換提出以下觀點：核能可以提供制氫所需的熱能和（或）電能的一次能源；提供制氫所需的化學(xué)反應(yīng)的溫度水平?？梢岳煤四苤茪涞姆椒ò娊狻峄瘜W(xué)循環(huán)和碳?xì)浠衔镏茪浞??？商峁┑臏囟人饺Q于反應(yīng)堆類型，因此每種類型的反應(yīng)堆必須與合適的制氫方法相結(jié)合。輕水反應(yīng)堆、快中子增殖反應(yīng)堆和高溫氣冷反應(yīng)堆都可以為電解提供能量。由于相關(guān)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的溫度范圍有限，高溫氣冷反應(yīng)堆適合作為熱化學(xué)循環(huán)（硫族）以及甲烷重整和熱解的熱源。此外，由于氫氣具有很高的?效比，因此可以將核電的熱質(zhì)量提高到氫氣水平。這樣，核能可以通過在制氫過程中發(fā)揮作用，為替代化石資源作出貢獻(xiàn)。
