氫是宇宙中最豐富的化學(xué)元素，但為各種工業(yè)過程生產(chǎn)純氫耗能高，同時(shí)留下大量碳足跡。
“目前幾乎95%的氫需求是利用甲烷蒸汽重整等碳密集型生產(chǎn)過程滿足的。從全球清潔能源轉(zhuǎn)型的角度看，這是不可持續(xù)的，特別是考慮到需求已經(jīng)相當(dāng)大，而且還在繼續(xù)增長?！痹幽軝C(jī)構(gòu)高級(jí)核工程師Ibrahim Khamis說。據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)報(bào)道，自1975年以來，氫需求已經(jīng)增加了兩倍多。

氫被用于各種工業(yè)過程，從生產(chǎn)合成燃料和石化產(chǎn)品到制造半導(dǎo)體和為燃料電池電動(dòng)車提供動(dòng)力。為了減少每年生產(chǎn)7000多萬噸氫的環(huán)境影響，一些國家將目光投向了核電。

“舉例來說，如果僅將目前氫產(chǎn)量的4%轉(zhuǎn)為使用核電生產(chǎn)，那么每年將減少多達(dá)6000萬噸的二氧化碳排放?！盞hamis說，“而如果所有的氫都使用核能生產(chǎn)，那么我們談?wù)摰氖敲磕晗^5億噸的二氧化碳排放?！?/p>

核電反應(yīng)堆可與制氫廠配合，作為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)有效地生產(chǎn)能源和氫。就制氫而言，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)配有電解或熱化學(xué)過程的組件。電解過程利用直流電促使水分子分裂，同時(shí)產(chǎn)生氫和氧。水電解的操作溫度相對(duì)較低，約為80℃至120℃，而蒸汽電解的操作溫度高得多，因此效率更高。蒸汽電解可能是與先進(jìn)高溫核電廠相結(jié)合的理想選擇，因?yàn)樵撨^程需要大約700℃至950℃的熱輸入。

熱化學(xué)過程通過在高溫下誘導(dǎo)與特定化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使水分子分裂，產(chǎn)生氫。能夠在極高溫度下運(yùn)行的先進(jìn)核反應(yīng)堆也可用于為這些過程提供熱量。

“特別是利用硫-碘循環(huán)生產(chǎn)氫，具有擴(kuò)大規(guī)模進(jìn)行可持續(xù)的長期運(yùn)行的巨大潛力?！盞hamis說，“利用日本的高溫試驗(yàn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)與中國的HTRPM600和HTR-10設(shè)計(jì)開發(fā)這種方法大有可為，其他的研究計(jì)劃也在繼續(xù)取得良好的進(jìn)展?！?/p>

目前，一些國家正在實(shí)施或探索利用核電廠制氫，助力能源、工業(yè)和交通部門去碳化。這也是一種從核電廠獲得更多收益的方式，有助于提高核電廠的盈利能力。

原子能機(jī)構(gòu)通過協(xié)調(diào)研究項(xiàng)目和技術(shù)會(huì)議等各種舉措，向?qū)χ茪涓信d趣的國家提供支持。原子能機(jī)構(gòu)還制定了“氫經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)計(jì)劃”，即用于評(píng)定利用核能大規(guī)模制氫的經(jīng)濟(jì)效益的工具。原子能機(jī)構(gòu)還在2020年初推出了一門關(guān)于利用核能熱電聯(lián)產(chǎn)制氫的電子學(xué)習(xí)課程。

“利用核電廠制氫在促進(jìn)去碳化努力方面具有很大潛力，但有一些挑戰(zhàn)必須首先克服，例如確定將制氫納入更廣泛的能源戰(zhàn)略的經(jīng)濟(jì)可行性?！盞hamis說，“通過熱化學(xué)水分裂過程制氫需要能夠在極高溫度下運(yùn)行的創(chuàng)新型反應(yīng)堆，而這些反應(yīng)堆距離部署還有幾年的時(shí)間。同樣，硫-碘工藝仍需要更多年的研發(fā)才能達(dá)到成熟和實(shí)現(xiàn)商業(yè)化擴(kuò)大狀態(tài)?！彼a(bǔ)充說，納入了非電力應(yīng)用的核能系統(tǒng)的許可證審批也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

研究和測(cè)試可行性

美國能源部于2020年初發(fā)起的“H2@Scale”倡議，正在研究開發(fā)制氫與低碳發(fā)電并舉的核能系統(tǒng)的可行性。在該倡議資助的幾十個(gè)項(xiàng)目中，有一個(gè)項(xiàng)目將由美國三家商業(yè)電力公司與能源部的愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室合作實(shí)施。該項(xiàng)目將包括對(duì)在美國的幾個(gè)核電廠進(jìn)行制氫技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)以及試點(diǎn)示范。

參與該項(xiàng)目的電力公司之一，美國最大的低碳電力生產(chǎn)商愛克斯龍（Exelon）公司目前正在采取措施，在其一個(gè)核電廠安裝一個(gè)1兆瓦的聚合物電解質(zhì)膜電解槽和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。該系統(tǒng)可能在2023年投入使用，將用于證明電解產(chǎn)氫的經(jīng)濟(jì)可行性，以供應(yīng)發(fā)電相關(guān)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)需求以及未來的可擴(kuò)展性機(jī)會(huì)。

“這個(gè)項(xiàng)目將有助于幫助我們確定核驅(qū)動(dòng)制氫的前景，包括財(cái)務(wù)考慮因素如何影響任何長期、大規(guī)模的產(chǎn)氫?！睈劭怂过埌l(fā)電公司工程和技術(shù)服務(wù)高級(jí)副總經(jīng)理Scot Greenlee說，“在我們規(guī)劃低碳未來的過程中，引入核電制氫可以大大提高核電的可持續(xù)性?！?/p>

英國也在進(jìn)行評(píng)價(jià)。英國的非營利性計(jì)劃“能源系統(tǒng)推動(dòng)器”正在對(duì)整個(gè)能源系統(tǒng)進(jìn)行建模，現(xiàn)在包括先進(jìn)核電技術(shù)制氫方案。該計(jì)劃提供了到2050年可能實(shí)現(xiàn)溫室氣體凈零排放的最低成本能源結(jié)構(gòu)前景，并且結(jié)果表明，先進(jìn)核技術(shù)可以與其他技術(shù)一起在制氫中發(fā)揮作用。

“雖然氫在英國的確切作用還有待確定，但氣候變化委員會(huì)和商業(yè)、能源和產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略部所做的分析表明，到2050年，我們可能需要部署約270太瓦時(shí)的低碳?xì)?，但依?jù)氫最終用于熱力、電力和運(yùn)輸部門的具體應(yīng)用，這一數(shù)字可能會(huì)大幅增加?！庇藙?chuàng)新和研究咨詢委員會(huì)高級(jí)戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)顧問Philip Rogers說。

新計(jì)劃

2019年，俄羅斯啟動(dòng)了首個(gè)核驅(qū)動(dòng)制氫計(jì)劃。該計(jì)劃由俄羅斯國家原子能集團(tuán)公司運(yùn)作，將使用核驅(qū)動(dòng)電解法以及利用高溫氣冷堆的熱化學(xué)制氫法。其目的是每年生產(chǎn)大量的氫，擺脫采用蒸汽甲烷重整等碳密集型制氫方法。

生產(chǎn)的氫將既供國內(nèi)使用又出口。目前正在就向日本出口部分氫進(jìn)行可行性評(píng)價(jià)。

“由于一定程度上受金屬加工等行業(yè)擴(kuò)張而引起的氫需求持續(xù)增長，利用核能制氫提供了大幅減少碳排放的機(jī)會(huì)，同時(shí)也提高了核電行業(yè)的盈利能力。”俄羅斯原子能海外公司負(fù)責(zé)市場(chǎng)和業(yè)務(wù)發(fā)展的副總經(jīng)理AntonMoskvin說。