“核安全与先进核能技术”重点专题研究梳理了核制氢发展面临的主要挑战和建议。
核能制氢创新发展面临的主要挑战
1、统筹考虑核制氢产能与能耗的协调。
目前，相关核能制氢研发项目正在考虑将“超高温反应堆+中间换热器+工艺热利用回路”耦合在一起，研究分析通过中间换热器连接的双系统耦合，开发各种组合解决方案。 系统性能研究，通过商业化高温换热器设计和制造技术的开发和应用，突破自成一体的能源生产单元和能源消耗单元问题，优化反应堆系统能源网络设计，进一步提高其能源利用率和经济性。
这里的用能单位计划采用碘硫循环制氢等热化学循环水分解法，可能过于简单。 从核能制氢技术本身的发展来看，是否有更好的热化学制氢技术方法，反应堆产能与其高温工艺热制氢可以相互促进、协调发展，从而全面发展。提高核能制氢的先进性、可靠性和效率。 经济。 同时，结合制氢原料的选择，研发少排放或不排放CO2的新型制氢技术也变得相对重要。
2、核能制氢的经济性和应用前景具有很大的不确定性。
氢气不仅是一种前景广阔的新能源，也是石化工业的重要原料，对于化学工业的转型具有相对重要的意义。 随着人们对燃料清洁度要求的提高，石化、氢冶金、氢能源交通等发展对氢的需求量将越来越大。 目前，由于炼油厂、重油加工等原因，石化领域的氢气使用量持续增加。 工业上有氢烃蒸汽转化法（如天然气重整工艺等）和部分氧化法（POX）等。生产方法和工业发展日趋成熟、规模化和低成本。 部分氧化氢气气化技术可将低价值物料（重质高硫、高金属渣油、沥青，甚至焦炭、褐煤）转化为电力、蒸汽、氢气及各种化学品等各种附加值产品，从而替代大量的轻烃原料，该技术发展成为一种工艺技术和环境控制技术。 制氢与供水、供电、供汽等公用工程一样，已成为炼油厂必不可少的公用工程。 与此同时，制氢装置正在向大型、超大型发展，自动控制水平也在不断提高。 为此，结合核能制氢技术的发展和实际需求，需要深入探讨核能制氢的发展方向和重点，有效实现利用核热显着提高制氢效率，并不断增强市场竞争力。
为实现“双碳”政策目标，核能生产氢碘硫循环等方法虽然可以满足减少或消除碳排放的政策要求，但其工艺方法及其应用的成熟度、生产规模和经济性前景面临巨大挑战。 肯定。 从提高核制氢经济性和竞争力发展的角度来看，我国需要加大新型绿色制氢技术的探索和开发。
此外，有关部门正在考虑在有条件的地区通过氢气管道、与可在厂外提供氢资源的企业联网等方式，建立更大规模的储氢系统。 发展核制氢还应考虑氢安全等问题，综合考虑氢能。 准备、储存和运输协调问题。
3.高温气冷堆制氢中间换热器开发面临的挑战
中间换热器长期服务于高温、高压、腐蚀、粉尘等恶劣环境。 材料和结构都面临着长期的考验。 为了实现碘硫循环工艺或固体氧化物电解质电解（SOEC）技术，其设计温度高达950℃。 ，当出口升高到850℃以上时，材料的高温蠕变性能发生明显变化，长期承载能力显着下降。 中间换热器出口集箱结构复杂，其焊缝处于结构热应力最大的位置。 焊接质量要求较高，包括焊接过程的稳定性、焊缝强度满足设计要求、焊接成功率高等。 不稳定的焊接工艺会降低中间换热器的使用寿命，并增加加工过程中的返工率和生产成本。 目前，由于制造、焊接工艺等原因，国产材料的性能是否能够满足相关规范的要求，仍需要测试和验证。 考虑到目前核能制氢相关的研发项目，针对中间换热器的开发，开展了镍基合金换热板微通道刻蚀工艺的研究。 为此，有必要找出是否可以将多种金属一次喷焊并形成材料进行热交换。 对电路板进行化学蚀刻工艺研究是比较重要的。
此外，耗能单元与生产单元耦合技术和方法的选择和开发必须充分考虑其对核安全评估的影响。
建议
为积极推动核能制氢创新发展，建议政府有关部门和相关企业开发和完善核能制氢工艺方法，研发制造中间换热器和部分关键部件，以及氢气制备、储存以及满足核安全要求的运输技术。 其他方面，在推动核能制氢全过程工程咨询服务业发展的基础上，要立足实际，充分开展研究评估工作，合理投入，积极加大核能制氢全过程工程咨询服务业的研发力度。一些新议题，加强核能界与有关各方的合作。 并进行交流，加快制氢科研技术的发展。
当前，要以技术创新为动力，加强知识产权保护和标准引导，大力培养和引进核能制氢人才和研发企业，并考虑国外实地考察，了解国际新趋势，进一步明确和聚焦市场应用场景，重点探索工艺热制氢新途径、新方法，加大中间换热器材料和制造工艺的研发力度和经济性评价，切实提高核能氢的实际应用价值并为核能制氢、储存、运输和应用的创新发展创造健康良好的环境，为核制氢商业示范项目建设奠定坚实的基础。
在核能制氢工艺方法的优化和改进方面。 目前，全球每年需要近亿吨氢气，用于合成氨生产、有机加氢、石油精炼、金属冶炼、电子制造、高温火焰发生、火力发电机冷却等。 但到目前为止，95%以上的氢气是通过重整化石燃料获得的，生产过程不可避免地排放二氧化碳。 电解水技术可实现CO2零排放，约占全球氢气产量的4%至5%。 与可再生能源相比，核能发电电流密度高且稳定。 可与固体氧化物电解质电解耦合，但电极材料有待进一步开发和成熟。 同时，采用高压电解槽的SPE可研究质子交换膜（PEM）技术等。优化电解槽堆集成技术，解决长期运行性能失效等问题，持续降低电解设备投资和生产成本。 同时，铜氯循环反应技术（最高温度要求530℃）处于中试阶段，还有很大的优化和改进空间。 有必要考虑增加使用不排放或少排放CO2的新型制氢技术，并以相关目标分析氢脆对金属材料的影响为支撑，开辟不同温度下热化学制氢的途径，实现核能向氢能的高效转化，最终达到优化核能制氢经济性的目标。
通过打通不同温度下的热化学制氢路径，我们可以根据反应堆在主回路温度较高时的物理、热设计和运行特点，开发适合超高温运行的高效氦气纯化和再生系统工艺。气冷反应堆温度升高。 关键净化设备，开展反应堆一回路压力容器、热气管道、内部构件、蒸汽发生器等运行分析与评价，以及高温性能测试与改进等研发工作。材料，从而赢得更多的宝贵时间，创造更宽松的条件。 在探索反应堆适应性的同时，实现核能制氢的实际应用价值。
从事中间换热器及其部分关键部件的研发和制造。 建议考虑多层镍基合金板是否可以通过多种金属一次喷砂焊接成型。 同时可以考虑选择碳碳材料或碳纤维材料。 它可以结合多种金属喷砂一次性焊接成型材料的特点和换热板的微通道结构，调整蚀刻液的成分、浓度、温度、流量、时间等工艺参数，研究研究了不同形状流道的刻蚀方法，并开发了匹配的刻蚀工艺，精确控制刻蚀工艺参数，保证刻蚀微通道的形状和尺寸。 同时对金属喷砂一次成型法研制的中间换热器的研究现状和氦-氦印刷电路板型（PCHE）扩散焊结构的评价效果进行了对比研究。 ）中间热交换器。 采用了多种方法来开发中间换热器。 安全设计论证和验证，确保核反应堆和制氢装置的运行匹配，确保制氢装置的放射性水平足够低，避免氚等风险。
在化学循环制氢过程中的关键设备材料方面。 建议加强设备和材料开发的经济性和可预测性评估，以便能够对选定的制氢工艺方法的开发具有确定性，并更好地评估选定技术的制氢经济性。 在制氢及储氢设备材料方面，建议加强基础材料的抗氢及应用研究，如：铜及铜合金、镍基合金、钛及钛合金、铝合金、钨钼合金、碳碳材料等材料。 复合材料不仅可以满足制氢和储存设备的要求，而且可以节省材料使用成本，节省稀贵金属资源。
在满足核安全要求的氢气制备和储存技术方面。 主要针对氢气管道和场外储氢系统建设，同时考虑核电站和可再生能源混合能源系统对制氢和灵活供电建设的需求，并考虑用于制氢的催化剂和吸能材料制氢过程中氢气稳定。 推动氢液化循环开发利用，加强氢脆及氢相关自动检测技术研究，提高核能制氢压缩、储存安全性，实现液态化。状态并可方便地长距离运输至氢液化基地。 在优化核制氢设施设计的同时，需要考虑石墨烯防爆材料的应用，加快相关催化剂和石墨烯防爆、抗氧化、耐腐蚀材料、相关设备的开发利用、工程壁垒等，切实满足核制氢核安全“纵深防御”要求，保障大规模核制氢安全，有利于统筹规划、合理布局、规划建设符合核安全监管要求、满足核氢生产商业需求的核氢生产基地。 出口要求。
（来源：中国核工业，作者：王永平 本文为中国电力促进会核能分会专家组课题，作者为课题作者，单位为中国核工程咨询公司）
