核能制氢的原理

　　进入21世纪，全球应对气候变化的压力持续增大。人们迫切需要寻找新的洁净能源，以逐步替代现有化石燃料，减少污染物与温室气体的排放，最终实现零排放的目的。而氢能以其热值高、无污染、不产生温室气体等独特优势，逐渐引起人们越来越多的关注。

　　氢能是绝对零污染的二次能源。采用氢能发电，是通过氢和氧元素之间的电化学反应转化成电能和水，在这个过程中不排放二氧化碳和氮化合物，没有任何污染。由于储运方便，氢能可广泛应用于燃料电池汽车等储能发电领域，也可以通过直接燃烧氢气用于推进飞机、汽车等交通运输工具，甚至用来发射火箭，实现对石油、天然气等化石燃料的替代。然而，氢能是一种二次能源。由于氢的化学性质非常活泼，自然界没有纯氢存在，必须利用其他能源才能生产。目前，全球95%以上的氢能来源于化石能源，在生产氢气的过程中，难免会对环境带来污染。并且，化石燃料日趋枯竭，需要寻找一种更洁净、更可持续的一次能源制造氢气。

　　而核能是低碳、高效的一次能源，其使用的铀资源可循环再利用。经过半个多世纪的发展，人们已经掌握了日益先进、不断成熟的核能技术，成为当前人类大规模工业制氢的最佳选择。与其他制氢技术相比，核能制氢具有无温室气体排放、高效、可实现大规模制氢等诸多优势。核能与氢能的结合，将使能源生产和利用的过程基本实现洁净化。目前，核能制氢主要有电解水制氢与热化学制氢两种方式。

　　电解水制氢是利用核电给电解水装置供电，让水发生电化学反应，分解成氢气和氧气。电解水制氢是一种较为方便的氢气制取方法，但制氢效率偏低，如若采用美国开发的SPE法可将电解效率提升至90%。以目前大多数核电站的热电转换效率仅为35%左右计算，这种方式的核能制氢总效率约为30%。

　　热化学制氢是将核反应堆与热化学循环制氢装置耦合，以核反应堆提供的高温作为热源，使水在800℃至1000℃下催化热分解，从而制取氢和氧。目前，国际上公认最具应用前景的催化热分解方式是由美国开发的硫碘循环，其中的硫循环从水中分离出氧气，碘循环分离出氢气。日本、法国、韩国和中国都在开展硫碘循环的研究。

　　与电解水制氢相比，热化学制氢效率较高，高温热化学制氢的总效率预计可达50%以上，如将热化学制氢与发电相结合,还能将效率提高到60%。根据热化学制氢对工作温度的要求，目前全球正在积极研发的第四代核能系统的高温气冷堆，适于为热化学制氢过程供热。高温气冷堆被国际核能界公认为是一种具有良好安全特性的堆型，堆芯出口温度为850℃至1000℃，具有核能制氢的商业应用前景。

　　目前，我国在高温气冷堆技术领域已居于世界领先地位。在国家“863”计划支持下，我国于2001年建成了10兆瓦高温气冷实验反应堆，并在2003年达到满功率运行。而200兆瓦高温气冷堆商业示范电站建设项目已被列入国家科技重大专项，预计将于2020年建成投产，将具备核能制氢条件。

　　美国、德国、日本等发达国家相继将发展氢能产业提升到国家能源战略高度。有预测表明，2025年全球能源需求中，可再生能源比重会提升至36%，其中氢能占11%；2050年，可再生能源比重会提升至69%，其中氢能占34%。核能制氢最终实现商业应用将为“氢能时代”的到来开辟道路。

　　总之，核能制氢是实现节约资源和保护环境的有效途径，通过核能制氢，有利于推动我国形成绿色发展方式和生活方式，为百姓创造良好生产生活环境，为全球生态安全作出贡献。（作者石磊系中国核科技信息与经济研究院工程师，张明系副研究员）