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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。
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、熱化學循環(huán)和碳氫化合物制氫法，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)化學反應(yīng)進行的溫度范圍有限，高溫氣冷反應(yīng)堆適合作為熱化學循環(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氫化合物（化石資源）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循環(huán)。熱化學分解水通過將低溫區(qū)域的放熱化學反應(yīng)和高溫區(qū)域的吸熱化學反應(yīng)相結(jié)合產(chǎn)生氫氣?；旌闲蜔峄瘜W分解水在整個化學反應(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氫化合物作為原料的吸熱化學反應(yīng)。用核電補充化學反應(yīng)所需的熱量，可以減少制氫中的化石資源消耗。用碳氫化合物和水制氫的蒸汽重整法是一項成熟的工業(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（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。由于氫的標準?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，低溫熱能可以得到有效利用。
四、熱化學循環(huán)
水的直接熱分解需要幾千度的高溫。熱化學循環(huán)是通過結(jié)合各種化學反應(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反應(yīng)的溫度水平?？梢岳煤四苤茪涞姆椒ò娊?、熱化學循環(huán)和碳氫化合物制氫法?？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)化學反應(yīng)進行的溫度范圍有限，高溫氣冷反應(yīng)堆適合作為熱化學循環(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。
