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核能制氢国内外研究现状及展望

葛昶 ,  余晓钟 ,  辜穗 ,  罗霞 ,  刘梦薇 ,  肖鑫

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (12) : 1 -6.

PDF (1348KB)
现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (12) : 1-6. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.12.001
专论与评述

核能制氢国内外研究现状及展望

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Research status and prospect of global nuclear hydrogen production

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摘要

核能制氢作为一种潜在的清洁能源解决方案,近年来在国内外得到了广泛关注。首先介绍了核能制氢的背景与优势,指出其在减少碳排放和应对能源危机方面的重要作用。详细分析了核能制氢的技术路线,包括高温气冷堆驱动的硫碘循环和电解水制氢等方法,并对各类技术的优缺点进行了对比。美国、日本、欧洲等国家在核能制氢领域取得显著进展,而中国则依托清华大学和中科院的研究,在高温气冷堆和热化学循环制氢方面表现突出。尽管核能制氢具有广阔的前景,但其仍面临高温反应堆技术、安全性、经济性等多重挑战。在未来技术创新、政策支持和全球合作将推动核能制氢的商业化和大规模应用。

Abstract

Nuclear energy-driven hydrogen production,as a promising clean energy solution,has garnered significant attention in the world in recent years.This account introduces firstly the background and advantages of nuclear energy-driven hydrogen production,highlighting its critical role in reducing carbon dioxide emission and addressing energy crises.It then provides a detailed analysis on the technical pathways for nuclear energy-driven hydrogen production,including the sulfur-iodine cycle driven by high-temperature gas-cooled reactors and water electrolysis,and compares the strengths and weaknesses of these technologies.Significant progress has been made in this field by countries such as the United States,Japan,and European nations,while China has demonstrated notable achievements in high-temperature gas-cooled reactors and thermochemical hydrogen production,supported by research from Tsinghua University and Chinese Academy of Sciences.Despite its promising outlook,nuclear energy-driven hydrogen production still faces multiple challenges,including high-temperature reactor technology,safety concerns,and economic viability.Future technological innovation,policy support,and global cooperation are expected to drive the commercialization and large-scale application of nuclear energy-driven hydrogen production.

关键词

核能 / 清洁能源 / 核能制氢

Key words

nuclear energy / clean energy / nuclear energy-driven hydrogen production

Author summay

葛昶(1994-),男,博士生,研究方向为能源管理,

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葛昶,余晓钟,辜穗,罗霞,刘梦薇,肖鑫. 核能制氢国内外研究现状及展望[J]. , 2025, 45(12): 1-6 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.12.001

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化石燃料的大规模应用,不仅引发了温室气体的急剧攀升,加剧了全球变暖的严峻态势,还带来了严重的空气污染问题,对生态环境造成了不可逆转的破坏。因此,减少二氧化碳排放、推动清洁能源技术的发展,已然成为各国政府和科研机构肩负的重要使命[1]。在全球范围内,能源危机和环境问题的持续恶化,促使各国积极探寻绿色、可持续的能源解决方案。在此背景下,氢能作为一种清洁、高效的能源载体,逐渐崭露头角,被视为能源转型的关键一环。氢气燃烧的产物仅为水,使用过程中不会产生二氧化碳等温室气体,且可广泛应用于交通、工业和电力等多个领域,展现出巨大的应用潜力。而氢能的生产方式多种多样,其中,核能制氢技术因其高效、可持续的特点,成为当前氢能领域备受瞩目的研究热点[2]。传统制氢方法,如电解水、化石燃料重整等,虽有其应用价值,但存在诸多局限性。化石燃料重整过程会释放大量二氧化碳,加剧温室效应;电解水虽清洁,但效率较低且对电力需求较高,难以大规模应用[3]。相比之下,核能制氢技术依赖于核反应堆提供的高温热能或电能,能够以更高的效率生产氢气,并显著减少温室气体排放,兼具环境和经济效益。在国际范围内,众多国家已将核能制氢技术纳入其未来能源发展战略之中。美国、日本、法国等核电技术领先的国家,率先启动了多个实验项目,致力于通过核能大规模生产氢气,以满足未来对清洁能源的迫切需求。在中国,核能制氢同样受到了政府和学术界的高度重视,多个项目正在稳步推进,旨在深入探索高温气冷堆和热化学循环等核能制氢技术的可行性,力求在这一前沿领域取得突破性进展,为全球能源转型贡献中国智慧与力量[4]。
本文深入剖析了核能制氢技术的发展优势,全面梳理了国内外在该领域的研究进展与应用案例。通过对核能制氢技术的基本原理、技术路线以及不同国家研究进展的系统梳理,深入分析了核能制氢技术面临的发展困境与技术挑战,并在此基础上提出了针对性的发展建议,以期为核能制氢技术的未来发展提供有益参考。

1 核能制氢的优势

核能制氢具有多方面的优势。首先,核能是一种低碳能源,其发电过程几乎不产生温室气体排放。通过核能制氢,不仅能够降低化石燃料制氢过程中的碳排放,还能够在可再生能源供电不稳定的情况下,提供稳定的氢气生产来源。相比于传统的化石燃料制氢,核能制氢的碳足迹大大降低,符合全球应对气候变化的长期目标。其次,核能制氢具有显著的规模化潜力。核电站的发电容量较大,特别是第四代核反应堆和高温气冷堆等新型反应堆技术的发展,使得核能制氢可以通过高效的热化学过程实现大规模氢气生产,满足未来大规模清洁能源需求[5]。再者,核能制氢技术还具有较高的效率。高温气冷堆等技术能够提供超过750℃的高温热源,可以通过硫碘循环热化学工艺以较高效率制取氢气。相比于传统的低温电解水,热化学制氢工艺由于减少了电力转化步骤,整体效率更高,且生产过程更加稳定。此外,核能制氢技术能够与现有的核电设施相结合,减少基础设施建设成本。一些核电站可以通过改造部分设备直接用于氢气生产,既提高了电厂的综合利用率,也使得核能制氢项目具有较好的经济效益。
因此,核能制氢不仅具备减少碳排放、提高氢气生产效率的优势,还能够实现大规模稳定生产,有望成为未来清洁能源供应链的重要组成部分。

2 核能制氢的基本原理与技术路线

2.1 基本概念

核能制氢是指通过核反应堆产生的热能或电能,利用物理或化学方法将水分解为氢气和氧气的过程。与传统的氢气生产方法(如天然气重整)相比,核能制氢的优势在于其可以通过非碳基能源实现大规模的氢气生产,极大地减少了二氧化碳的排放量。
核反应堆中的核裂变反应能够释放大量的热量,这些热量可以通过多种方式转化为电能或直接作为热源。核能制氢技术的核心在于如何有效地利用这些热能或电能进行水分解。目前,核能制氢的技术路线主要包括高温气冷堆耦合热化学循环、核电耦合低温电解水等[6]。

2.2 制氢技术路线

核能制氢的技术路线多种多样,主要分为3类:高温气冷堆耦合热化学循环、水热解制氢(热化学循环法)以及核电站耦合电解水制氢。各类制氢技术的优缺点比较,如表1所示。

2.2.1 高温气冷堆制氢技术

高温气冷堆(HTGR)制氢技术是目前核能制氢技术的重点研究方向之一。HTGR能够提供高达750℃至1 000℃的热源,这使其成为热化学水分解循环和高温电解制氢技术的理想热源。热化学循环通过利用化学反应链,分解水生成氢气。
其中,硫—碘热化学循环(sulfur-iodine thermochemicalcycle,SI)是最为成熟的高温热化学制氢技术。该过程利用硫和碘的化学反应来实现水的分解:在高温下,碘化氢与二氧化硫反应,生成氢气并形成其他中间产物,随后通过多个化学反应循环恢复初始物质,实现反应的可持续进行[7]。

2.2.2 水热解及热化学循环法

热化学循环法通过一系列化学反应将水分解为氢气和氧气,整个过程通常分为若干步。常见的热化学循环技术包括硫碘循环(S-I循环)和铜氯循环(Cu-Cl循环)。这些方法均依赖高温热源,且可以在无电力输入的情况下有效分解水。
硫碘循环法依赖核反应堆产生的高温热源,通过一系列化学反应将水分解为氢气和氧气。铜氯循环则是另一种被广泛研究的热化学制氢技术,它通过利用铜和氯化合物的反应来完成水的分解[8]。

2.2.3 核电耦合电解水制氢技术

电解水制氢是目前最为成熟且广泛应用的制氢技术之一,其原理是借助直流电的作用,将水分子分解为氢气和氧气。低温电解水技术适用于现有核电站的改造,利用核电站提供的电能进行氢气生产。该方法的主要优点是电解技术成熟且运行稳定,缺点则在于其电力需求较高,整体效率不如热化学制氢(表1)[9]。

3 国内外核能制氢的研究进展

3.1 国外核能制氢的研究进展

3.1.1 美国

美国在核能制氢领域的研究正处于快速发展阶段,旨在满足能源安全与环境保护的双重需求。根据美国能源部(DOE)的政策,在交通领域,氢能成为解决这些问题的可行方案。自2002年发布《国家氢能技术路线图》以来,美国便开启了氢能技术发展的战略布局。2003年,氢燃料计划应运而生,进一步明确了氢能技术在能源转型中的关键地位。2004年,《核氢启动计划》(NHI)的推出,更是将核能制氢技术的发展推向了高潮。
NHI的重点是开发由先进核系统驱动的高温水分解技术,推动高温电解(HTE)和热化学循环等制氢方法的进展。爱达荷国家实验室(INL)主导HTE研究,专注于固体氧化物电解槽(SOEC)技术的开发,涵盖材料研发、电池实验及流体动力学分析等。此外,DOE还通过国际核能研究启动计划(I-NERI)与法国原子能委员会(CEA)合作开发硫碘循环(S-I循环)。2008年,Savannah River实验室完成了HyS热化学循环技术验证,标志着核能制氢研究的重要突破。INL在HTE研究中处于国际领先地位,专注于将SOEC用于水和二氧化碳的共电解,以制备合成气。实验模型显示,当与出口温度高于800℃的反应堆耦合时,制氢效率可超过50%。为验证HTE的可行性,INL开发了15 kW的HTE实验系统,并成功运行1 000 h,产氢率达5.7 m3/h。全球范围内,美国在核能制氢技术研究中走在前列。DOE的“下一代核反应堆计划”专注于开发高温气冷堆,提供950℃的热源用于硫碘循环(S-I循环)制氢。此外,美国还在研发钍基熔盐堆(MSR)和铅冷快堆(LFR),探索多种核能制氢路径。INL及其他实验室在热化学制氢领域取得显著成果。在商业化方面,美国政府和相关企业(如Energy Harbor)正探索在现有核电站中应用电解制氢技术,以实现小规模的氢气生产示范项目。这些努力使核能制氢的实际应用前景不断拓展[10]。

3.1.2 日本

日本自20世纪70年代起开展核能制氢研究,主要集中在高温气冷堆和硫碘循环技术。日本原子能研究开发机构(JAEA)在硫碘循环制氢方面取得重要进展,验证了其在高温气冷堆条件下的可行性,并推动了工业规模的示范项目。研究还涵盖了高温电解水制氢和铜氯循环制氢技术。
近年来,日本政府推出多项政策,推动核能与氢能的结合,目标是在2050年实现氢气的大规模生产和广泛应用,尤其是在交通运输领域,形成清洁能源产业链。自1998年起,日本正式启用了30 MW高温气冷试验堆(HTTR),开启了其在先进核能技术领域的探索之旅。2001年,该试验堆成功实现满功率运行,标志着技术的成熟与稳定迈出了关键一步。到了2004年,反应堆出口温度成功提升至950℃,这一成就不仅展现了高温气冷堆技术的卓越性能,更为后续的核氢生产奠定了坚实基础。在核氢工艺研发方面,日本将硫碘循环(S-I循环)作为重点攻关方向,JAEA自1997年起进行了相关实验,2004年在50 L/h规模实验中成功实现约30 L/h的产氢,并连续运行一周。目前,JAEA正在研究系统的可控性和部件的技术可靠性,计划利用HTTR进行核氢技术示范,预计产氢率可达1 000 m3/h。此外,日本规划设计了大型硫碘循环(S-I循环)核氢厂(GHTGR300),反应堆设计容量为600 MWt,预计可实现0.6×106 m3/d的产氢率。日本与国际合作伙伴,如美国和法国,积极进行技术研发和数据共享,以促进核能与氢能的结合,推动氢能的广泛应用和清洁能源产业链的发展[11-12]。

3.1.3 欧洲

欧洲的核能制氢研究主要集中在法国、德国和英国等国家。法国核能公司(EDF)、法国国家原子能委员会(CEA)在高温气冷堆和热化学循环技术上具有丰富的经验,并在氢气生产方面进行了大量的实验研究。德国的卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)领导了多个核能制氢项目,探索如何利用高温气冷堆和熔盐堆进行氢气生产。此外,德国还与法国、瑞士等国合作,共同推动欧洲核能制氢技术的发展。在英国,核能制氢的研究重点是利用现有的核电站进行电解水制氢。英国政府推出了一系列政策,鼓励企业探索氢气生产的新途径,并支持核能与氢能结合的技术开发[13]。

3.1.4 韩国

2005年,韩国率先提出了氢经济计划,旨在引领能源领域的变革。该计划明确设定目标,计划在2020年前攻克氢燃料的生产、储存和利用技术的关键难题,并在2030年前完成商业化示范,迈出氢能源应用的关键一步。特别值得关注的是,该计划将目光聚焦于使用安全、环保的第四代核反应堆系统进行氢气生产,力求从源头上确保氢能源的可持续发展。近年来,韩国能源委员会积极行动,批准了核氢研发和示范计划,为核氢技术的发展注入强大动力。这一计划的最终目标是在2030年前实现核氢技术的商业化应用,以此为支点,全力推动氢经济的蓬勃发展,助力韩国在全球能源转型浪潮中占据有利地位。
自2004年起,韩国启动了核能制氢的研发计划,确定通过超高温气冷反应堆(VHTR)实现经济高效的制氢技术,并进行了商业化核能制氢厂的概念设计。2009年后,政府加大了对关键技术的支持,计划建设核氢研发与示范厂(NHDD),并自2010年起提供资金支持。韩国在硫碘(S-I)工艺领域取得了显著进展,成功建成并运营了一套小规模硫碘工艺回路,产氢能力达到20 L/h。2006年,该回路中的硫酸分解和碘化氢(HI)分解反应部分实现成功运行,产氢率稳定在3.5 L/h,这标志着韩国在该领域的技术突破。2008年,电渗析技术在氢碘酸分解中的应用也得到了成功验证,进一步完善了整个工艺流程。
目前,韩国的研究重点聚焦于采用先进工程材料的高压回路开发,并致力于建立蒸汽-液平衡的热化学数据库,以优化工艺参数和提高系统效率。同时,非贵金属催化剂在SO3和HI分解中的应用研究也在持续推进,旨在降低成本并提高反应效率。此外,离子液体分离SO2中氧的技术研究也在积极开展,以进一步提升工艺的环保性和经济性。韩国通过高温气冷堆和铜氯循环技术进行核能制氢的实验室验证,积极探索核能与氢能结合的前景,为未来氢经济打下基础,推动低碳能源的应用[14]。

3.1.5 加拿大

截至2023年,加拿大在核能制氢领域取得显著进展,致力于利用核能作为低碳氢气生产的来源,以支持清洁能源目标和减排承诺。政府高度重视氢能发展,《氢能战略》明确强调了核能在减少温室气体排放和推动氢经济中的重要作用。通过政策支持和资金投入,加拿大正积极推进氢能技术的商业化。加拿大核实验室(CNL)专注于利用CANDU反应堆进行电解水制氢,并通过国际合作加速技术开发。
在技术方面,加拿大重点研发高温气冷堆(HTGR)和硫碘循环(S-I循环),以提升氢气生产效率。HTGR具有通过热化学循环和高温蒸汽电解实现高效制氢的潜力。此外,天然资源委员会(NRCan)提出的第四代计划聚焦超临界水堆(SCWR)与中温热化学铜氯循环(Cu-Cl)的结合,以更高效地生产氢气。加拿大原子能公司(AECL)与美国阿贡国家实验室(ANL)合作,将Cu-Cl循环作为SCWR的首选制氢工艺。在安大略省,现有核设施正进行核能与氢生产流程结合的示范项目,通过余热驱动氢气生产。这些项目验证了技术的可行性,并为未来商业化应用奠定基础。同时,加拿大积极参与国际合作,与美国、日本等国分享经验和技术。尽管在技术成熟度、经济性和公众接受度等方面仍有挑战,加拿大的核能制氢研究正稳步推进,未来有望在清洁氢气生产方面实现突破,为全球氢经济注入新动力[15]。

3.2 国内核能制氢的研究进展

中国在核能制氢领域的研究起步较晚,但近年来取得了显著的进展。随着中国政府对清洁能源的重视,核能制氢成为中国能源战略的重要组成部分。中国核能制氢发展路径及阶段目标[16-17],见表2。

3.2.1 清华大学的高温气冷堆研究

清华大学是中国核能制氢领域的领军机构。清华大学核能研究所主导了高温气冷堆(HTGR)的研究工作,并成功建成了世界首座高温气冷实验堆。该实验堆为中国核能制氢技术的发展奠定了坚实的基础。清华大学的研究团队还在探索如何利用 HTGR进行硫碘循环制氢[18]。实验结果表明,HTGR提供的高温热源可以有效驱动硫碘循环反应,生产高纯度氢气。清华大学计划通过进一步的实验研究,推动这一技术的工业化应用[19]。

3.2.2 中科院的热化学循环研究

中国科学院也在核能制氢领域进行了广泛的研究,重点集中在热化学循环和铜氯循环等技术上。中科院的研究团队与国际合作伙伴合作,开发了先进的热化学制氢工艺,并在实验室中取得了初步成功。此外,中科院还在探索利用低温电解水技术与核电站耦合进行氢气生产。通过与国家核电技术公司合作,中科院在核电制氢的实际应用上迈出了重要的一步[20]。

3.2.3 政策支持与未来规划

中国政府近年来推出了一系列政策,鼓励核能与氢能的结合。国家能源局和科技部都明确表示,将支持核能制氢技术的研发与应用,并为相关项目提供资金和政策支持。此外,地方政府也在积极推动核能制氢示范项目的落地,期望通过核能制氢为当地清洁能源供应做出贡献。中国核能制氢的发展目标是到2035年实现氢气的大规模生产和应用。通过与国际合作和自主研发,中国核能制氢技术有望在未来几年内取得进一步的突破,并逐步实现商业化。

4 核能制氢的技术挑战

4.1 高温反应堆技术问题

高温气冷堆技术是核能制氢的核心之一,但其面临的技术挑战不可忽视。首先是材料的高温耐受能力问题。高温气冷堆需要在极高的温度下运行,常规材料难以承受高温下的长期腐蚀和辐射损伤。尽管目前已有一些耐高温材料(如陶瓷和超合金)被应用于实验中,但其成本高昂且稳定性有待进一步验证。此外,高温反应堆的核安全性也是一个重要的技术挑战。反应堆在高温下运行,如何有效控制反应堆的温度,避免核泄漏和事故,是核能制氢研究的关键问题之一。现有的安全系统设计需要在高温条件下进一步优化,以确保氢气生产过程中的绝对安全。

4.2 热化学循环复杂性

热化学循环虽然具有较高的效率,但其复杂的化学反应过程和多步骤操作给工业化应用带来了挑战。硫碘循环等热化学制氢方法需要多个反应器和严格的温控系统,反应过程中的能量损耗较大,且设备的维护和管理成本较高。此外,热化学反应中的副产物处理问题也是制约该技术大规模应用的一个瓶颈。在工业规模生产中,如何处理反应中的中间产物和副产物,保证生产过程的连续性和经济性,仍然是需要解决的重要技术问题。

4.3 经济性与规模化挑战

尽管核能制氢技术在环境保护和可持续发展方面具有明显优势,但其经济性仍是实现大规模商业化应用的障碍之一。当前,核能制氢的成本较高,主要原因在于高温气冷堆和热化学循环的建设与维护成本较大。此外,氢气的市场需求和价格波动也对核能制氢的经济性产生了不确定性。为了实现规模化应用,必须找到降低生产成本的途径。一方面,可以通过技术创新提高热效率,减少能量损耗;另一方面,政府的政策支持和市场激励也是推动核能制氢发展的重要因素。

4.4 安全与环境问题

核能制氢涉及核反应堆的高温运行和大量氢气的生产,这对安全性提出了极高的要求。反应堆一旦发生泄漏,可能导致严重的核事故。同时,氢气本身是一种易燃易爆的气体,如何确保氢气生产、储存和运输过程中的安全性也是一个需要重点关注的问题。在环境方面,核能制氢虽然减少了二氧化碳排放,但反应堆的辐射和废物处理问题依然存在。特别是高温反应堆在运行中产生的核废料和辐射防护问题,需要通过先进的技术手段加以解决。

5 核能制氢的未来展望

5.1 技术创新与突破

随着核能制氢技术的不断发展,未来的技术创新将集中在提高效率、降低成本和改善安全性等方面。第四代反应堆技术(如高温气冷堆和熔盐堆)的进一步成熟,有望为核能制氢提供更加高效的热源。此外,先进材料的应用将解决高温运行中的耐腐蚀和辐射损伤问题,从而提高反应堆的运行稳定性。在制氢工艺方面,热化学循环的优化和新型电解技术的引入也将显著提升氢气的生产效率。通过集成优化,未来的核能制氢系统有望实现更加简洁、高效的工艺流程,从而在大规模工业化应用中具有更强的竞争力。

5.2 商业化与市场推广

核能制氢的商业化进程将在未来几年加速推进。随着全球氢能需求的增加,特别是交通运输和工业领域对清洁氢的需求[21],核能制氢有望成为氢气供应链中的重要一环。多个国家已经启动了核能制氢示范项目,验证技术的可行性和经济性,预计在未来10至20年内,核能制氢的商业化应用将逐步扩大。市场推广方面,政府的政策支持和国际合作将是推动核能制氢发展的关键。通过制定碳减排目标、提供税收优惠和补贴,政府可以为核能制氢的商业化创造有利的环境。此外,全球范围内的技术合作和经验交流将加速技术的推广和应用。

5.3 未来挑战

尽管核能制氢具有广阔的应用前景,但其发展面临的挑战依然严峻。首先是公众对核能安全性的担忧。在推进核能制氢项目的过程中,如何增强公众对核能安全的信心,减少对核事故的恐惧,是一个需要解决的社会问题。其次是技术和经济性的问题。核能制氢技术目前仍处于早期发展阶段,尚未完全实现大规模商业化应用。未来的技术突破需要解决材料、反应器设计、氢气储存和运输等一系列问题,以提高整体系统的经济性和可行性。核能制氢的全球推广也面临着政策和法规的限制。不同国家对核能和氢能的政策支持力度各不相同,如何在全球范围内实现核能制氢技术的标准化和规范化,也是未来需要重点关注的领域。

6 结语

核能制氢是未来清洁能源发展的重要方向之一,凭借核能提供的高温热源,可以大规模、稳定地生产氢气,具有显著的环保优势。尽管国内外在核能制氢技术上已取得了初步成果,特别是在高温气冷堆和热化学循环制氢方面,但大规模商业化应用仍面临诸多技术与经济挑战。高温反应堆的材料问题、热化学循环的复杂性以及氢气生产过程中的安全性等问题,都是制约核能制氢发展的关键因素。未来,随着核能技术的不断成熟和市场需求的增加,核能制氢有望通过技术创新和政策支持实现突破,成为全球清洁能源供应的重要组成部分。

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