在國家科技部“863”計劃和國家科技重大專(zhuān)項的支持下，我國先后成功完成了10MW高溫氣冷實(shí)驗堆(HTR-10) 的建設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(zhù)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用范圍，充分利用高溫氦氣的潛力提升發(fā)電效率、開(kāi)發(fā)多用途高溫工藝熱利用場(chǎng)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(zhuān)項，支持了國內有關(guān)單位積極開(kāi)展“高溫氣冷堆超高溫特性研究與實(shí)驗驗證研究”等。
“核安全與先進(jìn)核能技術(shù)”重點(diǎn)專(zhuān)項研究梳理了核能制氫發(fā)展面臨的主要挑戰與建議。
▲ 石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程
核能制氫創(chuàng )新發(fā)展面臨的主要挑戰
1.統籌考慮核能制氫的產(chǎn)能和用能協(xié)調性問(wèn)題
目前，相關(guān)核能制氫研發(fā)項目是考慮將“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(guò)中間換熱器銜接的雙系統耦合，并針對多種組合方案開(kāi)展系統性能的研究，通過(guò)商用高溫換熱器設計和制造技術(shù)開(kāi)發(fā)應用，突破產(chǎn)能單元和用能單元自成一體的問(wèn)題，對反應堆系統能源網(wǎng)絡(luò )開(kāi)展優(yōu)化設計，進(jìn)一步提高其能源利用率和經(jīng)濟性。
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(guò)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，做好反應堆產(chǎn)能與其高溫工藝熱制氫相互促進(jìn)、協(xié)調發(fā)展，以全面提升核能制氫的先進(jìn)性、可靠性及經(jīng)濟性。同時(shí)結合制氫原料選擇，研究開(kāi)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)濟性及應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)轉型十分重要。隨著(zhù)人們對燃料清潔性要求的日益提高，石化、氫冶金、氫能運輸等發(fā)展對氫氣的需求將越來(lái)越大。目前，石化領(lǐng)域氫氣用量隨著(zhù)煉油廠(chǎng)和重質(zhì)油加工比例的增大等原因而持續增加，工業(yè)氫的烴類(lèi)水蒸氣轉化法(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，規模大、成本低。而部分氧化制氫氣化技術(shù)能將低價(jià)值物料(重質(zhì)高硫、高金屬渣油、瀝青以至焦炭、褐煤)轉化為各種增值產(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(lèi)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(chǎng)必不可少的公用工程項目。同時(shí)，制氫裝置向大型及超大型化發(fā)展，自動(dòng)控制水平也在不斷提高。為此，結合核能制氫技術(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)現利用核熱顯著(zhù)提高制氫效率，持續提升其市場(chǎng)競爭力。
為實(shí)現“雙碳”政策目標，核能制氫碘硫循環(huán)等方法雖然能滿(mǎn)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)規模和經(jīng)濟性及其應用前景面臨較大不確定性。從提高核能制氫的經(jīng)濟性和競爭發(fā)展的角度看，我國需要加大探索開(kāi)發(fā)新的綠氫制備技術(shù)。
此外，有關(guān)部門(mén)正考慮在有條件的地區通過(guò)氫氣管線(xiàn)和廠(chǎng)外能提供氫資源的企業(yè)聯(lián)網(wǎng)建立更大規模的氫庫系統，核能制氫的發(fā)展也要結合氫的安全等問(wèn)題，統籌考慮氫的制備與儲存和運輸協(xié)調問(wèn)題。
3.高溫氣冷堆制氫中間換熱器的研制面臨的挑戰
中間換熱器長(cháng)期服役于高溫、高壓、腐蝕、粉塵等嚴苛環(huán)境，材料和結構面臨長(cháng)期的考驗，為實(shí)現碘硫循環(huán)工藝或固體氧化物電解質(zhì)電解(SOEC)技術(shù)，其設計溫度高達950℃，隨著(zhù)出口提高到850℃以上，材料的高溫蠕變性能出現明顯的變化，長(cháng)時(shí)承載能力顯著(zhù)下降。中間換熱器出口集箱結構復雜，其焊縫處于結構熱應力最大的位置，對焊接的質(zhì)量要求較高，包括焊接工藝穩定性、焊縫強度滿(mǎn)足設計要求以及焊接成功率高。不穩定的焊接工藝將會(huì )導致中間換熱器使用壽命的降低，增加加工過(guò)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(mǎn)足相關(guān)規范的要求尚需試驗驗證?？紤]到目前相關(guān)核能制氫研發(fā)項目，針對中間換熱器研制，開(kāi)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(kāi)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(mén)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(mǎn)足核安全要求的氫制備與儲存和運輸技術(shù)等方面，要在推動(dòng)核能制氫全過(guò)程工程咨詢(xún)服務(wù)業(yè)發(fā)展的基礎上，立足實(shí)際，充分做好調研和評估工作，理性投資，積極增加一些新課題研發(fā)，加強核能界與相關(guān)各方的合作與交流，加快制氫環(huán)節科研技術(shù)開(kāi)發(fā)。
當前，要以科技創(chuàng )新為驅動(dòng)力，加強知識產(chǎn)權保護和標準引領(lǐng)，大力培養和引進(jìn)核能制氫人才和研發(fā)企業(yè)，并考慮國外實(shí)地調研掌握最新國際動(dòng)態(tài)，進(jìn)一步明確和聚焦市場(chǎng)應用情景，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)濟性評價(jià)，切實(shí)提高核能制氫的實(shí)際應用價(jià)值，為核能制氫及其儲運、應用的創(chuàng )新發(fā)展創(chuàng )造健康、有利的環(huán)境，為開(kāi)展核能制氫商業(yè)示范工程建設奠定堅實(shí)基礎。
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用于氨的生產(chǎn)、有機物的加氫、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)電機等方面。但迄今為止，95%以上的氫氣是通過(guò)化石燃料重整來(lái)獲得，生產(chǎn)過(guò)程必然排出CO2。而電解水技術(shù)可實(shí)現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(shí)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(cháng)時(shí)間運行性能衰竭等問(wèn)題，持續降低電解的設備投資和生產(chǎn)成本。而同時(shí)銅氯循環(huán)反應技術(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(kāi)展氫脆現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)現核能到氫能的高效轉化，最終以實(shí)現核能制氫最優(yōu)化的經(jīng)濟性為目標。
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(shí)反應堆物理、熱工設計及運行的特性，開(kāi)發(fā)適用于超高溫運行的高效氦凈化及再生系統工藝流程、關(guān)鍵凈化設備，以及開(kāi)展反應堆一回路壓力容器、熱氣導管、堆內構件、蒸汽發(fā)生器等的運行分析評價(jià)及材料高溫性能測試和提升等研究開(kāi)發(fā)，爭取更多寶貴時(shí)間，創(chuàng )造更寬松條件，在探索反應堆適應性的同時(shí)，實(shí)現核能制氫實(shí)際應用價(jià)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(shí)，可考慮碳碳材料或碳纖維材料等的選取?？山Y合多種金屬爆破一次焊接成型材料特點(diǎn)及換熱板微通道結構形式，調配蝕刻液成分、濃度、溫度、流速、時(shí)間等工藝參數，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，以保證蝕刻的微通道形狀和尺寸。同時(shí)，開(kāi)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)中間換熱器的擴散焊結構評價(jià)效果等的對比研究，多種途徑開(kāi)展中間熱交換器安全設計演示驗證，保障核反應堆與制氫廠(chǎng)的運行匹配，保證制氫廠(chǎng)的放射性水平足夠低及規避氚的風(fēng)險等。
在化學(xué)循環(huán)制氫工藝方法中關(guān)鍵設備材料方面。建議加強設備材料開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟性及可預測性評估，從而能夠對選定制氫工藝方法的開(kāi)發(fā)有確定性，也能更好評估選定技術(shù)的產(chǎn)氫經(jīng)濟性。在制氫儲氫裝備用材方面，建議加強基礎材料抗氫性能和應用研究，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合材料，實(shí)現既能滿(mǎn)足制氫儲氫裝備要求，又能節約材料使用成本，節約稀貴金屬資源。
在滿(mǎn)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(xiàn)和廠(chǎng)外氫庫系統建設，兼顧核電廠(chǎng)與可再生能源混合能源系統制氫及靈活性電源建設等的需要，考慮制氫中穩態(tài)氫的催化劑、吸能材料等的開(kāi)發(fā)利用，促進(jìn)氫液化循環(huán)，加強氫脆及氫相關(guān)自動(dòng)檢測技術(shù)研究，提高核能制氫的壓縮、儲存安全，以便轉換至液態(tài)便于遠距離運輸至氫液化基地。要在開(kāi)展以制氫為目的核設施優(yōu)化設計的同時(shí)，考慮石墨烯防爆材料應用等，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)設備、工程屏障等的開(kāi)發(fā)利用，切實(shí)滿(mǎn)足核能制氫核安全“縱深防御”要求，保障核能大規模制氫的安全，以利于統籌規劃，合理布局，規劃建設符合核安全監管要求的核能制氫基地等，并滿(mǎn)足核能制氫的商業(yè)出口要求。
