核能制氫的原理

　　進(jìn)入21世紀(jì)，全球應(yīng)對氣候變化的壓力持續(xù)增大。人們迫切需要尋找新的潔凈能源，以逐步替代現(xiàn)有化石燃料，減少污染物與溫室氣體的排放，最終實(shí)現(xiàn)零排放的目的。而氫能以其熱值高、無污染、不產(chǎn)生溫室氣體等獨(dú)特優(yōu)勢，逐漸引起人們越來越多的關(guān)注。

　　氫能是絕對零污染的二次能源。采用氫能發(fā)電，是通過氫和氧元素之間的電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成電能和水，在這個過程中不排放二氧化碳和氮化合物，沒有任何污染。由于儲運(yùn)方便，氫能可廣泛應(yīng)用于燃料電池汽車等儲能發(fā)電領(lǐng)域，也可以通過直接燃燒氫氣用于推進(jìn)飛機(jī)、汽車等交通運(yùn)輸工具，甚至用來發(fā)射火箭，實(shí)現(xiàn)對石油、天然氣等化石燃料的替代。然而，氫能是一種二次能源。由于氫的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，自然界沒有純氫存在，必須利用其他能源才能生產(chǎn)。目前，全球95%以上的氫能來源于化石能源，在生產(chǎn)氫氣的過程中，難免會對環(huán)境帶來污染。并且，化石燃料日趨枯竭，需要尋找一種更潔凈、更可持續(xù)的一次能源制造氫氣。

　　而核能是低碳、高效的一次能源，其使用的鈾資源可循環(huán)再利用。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，人們已經(jīng)掌握了日益先進(jìn)、不斷成熟的核能技術(shù)，成為當(dāng)前人類大規(guī)模工業(yè)制氫的最佳選擇。與其他制氫技術(shù)相比，核能制氫具有無溫室氣體排放、高效、可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫等諸多優(yōu)勢。核能與氫能的結(jié)合，將使能源生產(chǎn)和利用的過程基本實(shí)現(xiàn)潔凈化。目前，核能制氫主要有電解水制氫與熱化學(xué)制氫兩種方式。

　　電解水制氫是利用核電給電解水裝置供電，讓水發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣。電解水制氫是一種較為方便的氫氣制取方法，但制氫效率偏低，如若采用美國開發(fā)的SPE法可將電解效率提升至90%。以目前大多數(shù)核電站的熱電轉(zhuǎn)換效率僅為35%左右計算，這種方式的核能制氫總效率約為30%。

　　熱化學(xué)制氫是將核反應(yīng)堆與熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置耦合，以核反應(yīng)堆提供的高溫作為熱源，使水在800℃至1000℃下催化熱分解，從而制取氫和氧。目前，國際上公認(rèn)最具應(yīng)用前景的催化熱分解方式是由美國開發(fā)的硫碘循環(huán)，其中的硫循環(huán)從水中分離出氧氣，碘循環(huán)分離出氫氣。日本、法國、韓國和中國都在開展硫碘循環(huán)的研究。

　　與電解水制氫相比，熱化學(xué)制氫效率較高，高溫?zé)峄瘜W(xué)制氫的總效率預(yù)計可達(dá)50%以上，如將熱化學(xué)制氫與發(fā)電相結(jié)合,還能將效率提高到60%。根據(jù)熱化學(xué)制氫對工作溫度的要求，目前全球正在積極研發(fā)的第四代核能系統(tǒng)的高溫氣冷堆，適于為熱化學(xué)制氫過程供熱。高溫氣冷堆被國際核能界公認(rèn)為是一種具有良好安全特性的堆型，堆芯出口溫度為850℃至1000℃，具有核能制氫的商業(yè)應(yīng)用前景。

　　目前，我國在高溫氣冷堆技術(shù)領(lǐng)域已居于世界領(lǐng)先地位。在國家“863”計劃支持下，我國于2001年建成了10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，并在2003年達(dá)到滿功率運(yùn)行。而200兆瓦高溫氣冷堆商業(yè)示范電站建設(shè)項(xiàng)目已被列入國家科技重大專項(xiàng)，預(yù)計將于2020年建成投產(chǎn)，將具備核能制氫條件。

　　美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家相繼將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)提升到國家能源戰(zhàn)略高度。有預(yù)測表明，2025年全球能源需求中，可再生能源比重會提升至36%，其中氫能占11%；2050年，可再生能源比重會提升至69%，其中氫能占34%。核能制氫最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用將為“氫能時代”的到來開辟道路。

　　總之，核能制氫是實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的有效途徑，通過核能制氫，有利于推動我國形成綠色發(fā)展方式和生活方式，為百姓創(chuàng)造良好生產(chǎn)生活環(huán)境，為全球生態(tài)安全作出貢獻(xiàn)。（作者石磊系中國核科技信息與經(jīng)濟(jì)研究院工程師，張明系副研究員）