在國家科技部“863”計劃和國家科技重大專項(xiàng)的支持下，我國先后成功完成了10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆（HTR-10） 的建設(shè)和球床模塊式高溫氣冷堆核電站（HTR-PM）的研發(fā)。2021年12月20日，全球首座球床模塊式高溫氣冷堆核電站——山東榮成石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程并網(wǎng)發(fā)電，意味著在該領(lǐng)域我國已成為世界核電技術(shù)的領(lǐng)跑者。為拓寬高溫氣冷堆及核能的應(yīng)用范圍，充分利用高溫氦氣的潛力提升發(fā)電效率、開發(fā)多用途高溫工藝熱利用場景，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“核安全與先進(jìn)核能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)，支持了國內(nèi)有關(guān)單位積極開展“高溫氣冷堆超高溫特性研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究”等。
“核安全與先進(jìn)核能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)研究梳理了核能制氫發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)與建議。
核能制氫創(chuàng)新發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)
1.統(tǒng)籌考慮核能制氫的產(chǎn)能和用能協(xié)調(diào)性問題
目前，相關(guān)核能制氫研發(fā)項(xiàng)目是考慮將“超高溫堆+中間換熱器+工藝熱利用回路”耦合在一起，研究分析通過中間換熱器銜接的雙系統(tǒng)耦合，并針對多種組合方案開展系統(tǒng)性能的研究，通過商用高溫?fù)Q熱器設(shè)計和制造技術(shù)開發(fā)應(yīng)用，突破產(chǎn)能單元和用能單元自成一體的問題，對反應(yīng)堆系統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)開展優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步提高其能源利用率和經(jīng)濟(jì)性。
這里用能單元擬采取碘硫循環(huán)制氫等熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫方法，可能過于單一。從核能制氫技術(shù)發(fā)展本身看，是否有更好的熱化學(xué)制氫技術(shù)方法，做好反應(yīng)堆產(chǎn)能與其高溫工藝熱制氫相互促進(jìn)、協(xié)調(diào)發(fā)展，以全面提升核能制氫的先進(jìn)性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性。同時結(jié)合制氫原料選擇，研究開發(fā)少排或不排CO2的新制氫技術(shù)工藝，已經(jīng)十分重要。
2.核能制氫的經(jīng)濟(jì)性及應(yīng)用前景的不確定性突出
氫氣不僅是一種有發(fā)展前途的新能源，也是石油化工的重要原料，對化工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型十分重要。隨著人們對燃料清潔性要求的日益提高，石化、氫冶金、氫能運(yùn)輸?shù)劝l(fā)展對氫氣的需求將越來越大。目前，石化領(lǐng)域氫氣用量隨著煉油廠和重質(zhì)油加工比例的增大等原因而持續(xù)增加，工業(yè)氫的烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化法（如天然氣重整工藝等）和部分氧化法（POX）等生產(chǎn)方法和產(chǎn)業(yè)發(fā)展日益成熟，規(guī)模大、成本低。而部分氧化制氫氣化技術(shù)能將低價值物料（重質(zhì)高硫、高金屬渣油、瀝青以至焦炭、褐煤）轉(zhuǎn)化為各種增值產(chǎn)品如電力、蒸汽、氫氣和各種化學(xué)品，從而取代大量的輕質(zhì)烴類原料，該技術(shù)發(fā)展成為既是工藝技術(shù)又是環(huán)境控制技術(shù)。氫氣生產(chǎn)已像供水、供電、供汽等公用工程一樣，是煉油廠必不可少的公用工程項(xiàng)目。同時，制氫裝置向大型及超大型化發(fā)展，自動控制水平也在不斷提高。為此，結(jié)合核能制氫技術(shù)工藝發(fā)展情況及實(shí)際需求，有必要深入探索核能制氫發(fā)展方向和重點(diǎn)，切實(shí)實(shí)現(xiàn)利用核熱顯著提高制氫效率，持續(xù)提升其市場競爭力。
為實(shí)現(xiàn)“雙碳”政策目標(biāo)，核能制氫碘硫循環(huán)等方法雖然能滿足減少或消除碳排放的政策要求，但其工藝方法的成熟度、生產(chǎn)規(guī)模和經(jīng)濟(jì)性及其應(yīng)用前景面臨較大不確定性。從提高核能制氫的經(jīng)濟(jì)性和競爭發(fā)展的角度看，我國需要加大探索開發(fā)新的綠氫制備技術(shù)。
此外，有關(guān)部門正考慮在有條件的地區(qū)通過氫氣管線和廠外能提供氫資源的企業(yè)聯(lián)網(wǎng)建立更大規(guī)模的氫庫系統(tǒng)，核能制氫的發(fā)展也要結(jié)合氫的安全等問題，統(tǒng)籌考慮氫的制備與儲存和運(yùn)輸協(xié)調(diào)問題。
3.高溫氣冷堆制氫中間換熱器的研制面臨的挑戰(zhàn)
中間換熱器長期服役于高溫、高壓、腐蝕、粉塵等嚴(yán)苛環(huán)境，材料和結(jié)構(gòu)面臨長期的考驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)碘硫循環(huán)工藝或固體氧化物電解質(zhì)電解(SOEC)技術(shù)，其設(shè)計溫度高達(dá)950℃，隨著出口提高到850℃以上，材料的高溫蠕變性能出現(xiàn)明顯的變化，長時承載能力顯著下降。中間換熱器出口集箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其焊縫處于結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力最大的位置，對焊接的質(zhì)量要求較高，包括焊接工藝穩(wěn)定性、焊縫強(qiáng)度滿足設(shè)計要求以及焊接成功率高。不穩(wěn)定的焊接工藝將會導(dǎo)致中間換熱器使用壽命的降低，增加加工過程中的返工率和生產(chǎn)成本。目前，國產(chǎn)材料由于制造和焊接工藝等原因，其性能能否滿足相關(guān)規(guī)范的要求尚需試驗(yàn)驗(yàn)證?？紤]到目前相關(guān)核能制氫研發(fā)項(xiàng)目，針對中間換熱器研制，開展了鎳基合金換熱板的微通道蝕刻工藝研究，為此，搞清楚能否在多種金屬爆破一次焊接成型材料換熱板上開展化學(xué)蝕刻的工藝研究，十分重要。
此外，選擇及研發(fā)用能單元與產(chǎn)能單元耦合的技術(shù)及方式要充分考慮其對核安全評估的影響。
對策建議
為積極推進(jìn)核能制氫創(chuàng)新發(fā)展，建議政府有關(guān)部門及相關(guān)企業(yè)在核能制氫工藝方法優(yōu)化與改進(jìn)、中間換熱器及其部分關(guān)鍵部件研發(fā)制造、滿足核安全要求的氫制備與儲存和運(yùn)輸技術(shù)等方面，要在推動核能制氫全過程工程咨詢服務(wù)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)上，立足實(shí)際，充分做好調(diào)研和評估工作，理性投資，積極增加一些新課題研發(fā)，加強(qiáng)核能界與相關(guān)各方的合作與交流，加快制氫環(huán)節(jié)科研技術(shù)開發(fā)。
當(dāng)前，要以科技創(chuàng)新為驅(qū)動力，加強(qiáng)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)，大力培養(yǎng)和引進(jìn)核能制氫人才和研發(fā)企業(yè)，并考慮國外實(shí)地調(diào)研掌握最新國際動態(tài)，進(jìn)一步明確和聚焦市場應(yīng)用情景，重點(diǎn)探索新的工藝熱利用制氫途徑和方法研究，加大中間換熱器的材料及制造工藝研發(fā)力度及經(jīng)濟(jì)性評價，切實(shí)提高核能制氫的實(shí)際應(yīng)用價值，為核能制氫及其儲運(yùn)、應(yīng)用的創(chuàng)新發(fā)展創(chuàng)造健康、有利的環(huán)境，為開展核能制氫商業(yè)示范工程建設(shè)奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。
在核能制氫工藝方法優(yōu)化與改進(jìn)方面。目前全球每年總共需要近億噸氫氣應(yīng)用于氨的生產(chǎn)、有機(jī)物的加氫、石油精煉、金屬冶煉、電子制造、產(chǎn)生高溫火焰以及冷卻熱發(fā)電機(jī)等方面。但迄今為止，95%以上的氫氣是通過化石燃料重整來獲得，生產(chǎn)過程必然排出CO2。而電解水技術(shù)可實(shí)現(xiàn)CO2的零排放，約占全世界4%~5%的氫氣生產(chǎn)量。相對于可再生能，核能發(fā)電電流密度高且穩(wěn)定，可耦合采用固體氧化物電解質(zhì)電解，但有待電極材料進(jìn)一步研發(fā)成熟，同時可研究采用高壓電解槽的SPE為質(zhì)子交換膜（PEM）技術(shù)等，優(yōu)化電解池堆集成技術(shù)、解決長時間運(yùn)行性能衰竭等問題，持續(xù)降低電解的設(shè)備投資和生產(chǎn)成本。而同時銅氯循環(huán)反應(yīng)技術(shù)(最高溫度要求530℃)正在中試階段，依然存在較大優(yōu)化與改進(jìn)空間，要考慮加大對不排或少排CO2的新制氫技術(shù)工藝，及其針對相關(guān)金屬材料開展氫脆現(xiàn)象影響分析的支持力度，以打通不同溫度下熱化學(xué)制氫等路徑，實(shí)現(xiàn)核能到氫能的高效轉(zhuǎn)化，最終以實(shí)現(xiàn)核能制氫最優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)。
這里打通不同溫度下熱化學(xué)制氫路徑，可為針對高溫氣冷堆一回路溫度提升時反應(yīng)堆物理、熱工設(shè)計及運(yùn)行的特性，開發(fā)適用于超高溫運(yùn)行的高效氦凈化及再生系統(tǒng)工藝流程、關(guān)鍵凈化設(shè)備，以及開展反應(yīng)堆一回路壓力容器、熱氣導(dǎo)管、堆內(nèi)構(gòu)件、蒸汽發(fā)生器等的運(yùn)行分析評價及材料高溫性能測試和提升等研究開發(fā)，爭取更多寶貴時間，創(chuàng)造更寬松條件，在探索反應(yīng)堆適應(yīng)性的同時，實(shí)現(xiàn)核能制氫實(shí)際應(yīng)用價值。
在中間換熱器及其部分關(guān)鍵部件研發(fā)制造方面。建議考慮其多層鎳基合金板能否采取多種金屬爆破一次焊接成型，同時，可考慮碳碳材料或碳纖維材料等的選取。可結(jié)合多種金屬爆破一次焊接成型材料特點(diǎn)及換熱板微通道結(jié)構(gòu)形式，調(diào)配蝕刻液成分、濃度、溫度、流速、時間等工藝參數(shù)，研究不同形狀流道的蝕刻方法，研發(fā)形成相適配的蝕刻工藝，精確控制蝕刻工藝參數(shù)，以保證蝕刻的微通道形狀和尺寸。同時，開展金屬爆破一次成型方法研制的中間換熱器相關(guān)研究情況與氦-氦印刷電路板式（PCHE）中間換熱器的擴(kuò)散焊結(jié)構(gòu)評價效果等的對比研究，多種途徑開展中間熱交換器安全設(shè)計演示驗(yàn)證，保障核反應(yīng)堆與制氫廠的運(yùn)行匹配，保證制氫廠的放射性水平足夠低及規(guī)避氚的風(fēng)險等。
在化學(xué)循環(huán)制氫工藝方法中關(guān)鍵設(shè)備材料方面。建議加強(qiáng)設(shè)備材料開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性及可預(yù)測性評估，從而能夠?qū)x定制氫工藝方法的開發(fā)有確定性，也能更好評估選定技術(shù)的產(chǎn)氫經(jīng)濟(jì)性。在制氫儲氫裝備用材方面，建議加強(qiáng)基礎(chǔ)材料抗氫性能和應(yīng)用研究，如：銅及銅合金、鎳基合金、鈦及鈦合金、鋁合金、鎢鉬合金、碳碳材料等材料及其復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)既能滿足制氫儲氫裝備要求，又能節(jié)約材料使用成本，節(jié)約稀貴金屬資源。
在滿足核安全要求的氫制備與儲存等技術(shù)方面。主要針對有關(guān)方面的氫氣管線和廠外氫庫系統(tǒng)建設(shè)，兼顧核電廠與可再生能源混合能源系統(tǒng)制氫及靈活性電源建設(shè)等的需要，考慮制氫中穩(wěn)態(tài)氫的催化劑、吸能材料等的開發(fā)利用，促進(jìn)氫液化循環(huán)，加強(qiáng)氫脆及氫相關(guān)自動檢測技術(shù)研究，提高核能制氫的壓縮、儲存安全，以便轉(zhuǎn)換至液態(tài)便于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸至氫液化基地。要在開展以制氫為目的核設(shè)施優(yōu)化設(shè)計的同時，考慮石墨烯防爆材料應(yīng)用等，加快相關(guān)催化劑和石墨烯防爆、抗氧化與耐腐蝕等材料及相關(guān)設(shè)備、工程屏障等的開發(fā)利用，切實(shí)滿足核能制氫核安全“縱深防御”要求，保障核能大規(guī)模制氫的安全，以利于統(tǒng)籌規(guī)劃，合理布局，規(guī)劃建設(shè)符合核安全監(jiān)管要求的核能制氫基地等，并滿足核能制氫的商業(yè)出口要求。
（來源：中國核工業(yè)，作者：汪永平 本文為中國電促會核能分會專家組課題，作者為該課題執(zhí)筆人，單位為中核工程咨詢公司）
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