最近關(guān)于核能電池可能的應(yīng)用又時(shí)不時(shí)被報(bào)道，高達(dá)萬(wàn)年以上的使用壽命令人咂舌。但如果將核能和氫能結(jié)合又會(huì)有怎樣的能源前景呢？

大量集中式能源生產(chǎn)有利于使用核電廠，核電廠應(yīng)以基荷模式運(yùn)行，再由常規(guī)電廠承擔(dān)高峰負(fù)荷。核電幾乎沒(méi)有空氣污染物的排放。因此，核能似乎也是大規(guī)模集中制氫的理想選擇。氫氣的未來(lái)以及核能制氫的潛力將受到以下主要因素的影響：

石油和天然氣的生產(chǎn)率。

社會(huì)和政府關(guān)于溫室氣體排放導(dǎo)致全球氣候變化的決策。

節(jié)約化石資源用于環(huán)保應(yīng)用的需要（用核能替代傳統(tǒng)的工藝熱生產(chǎn)可節(jié)約高達(dá) 40% 的資源）。

如果核供熱的成本足夠低，它可以幫助滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的能源使用率，替代昂貴的化石燃料發(fā)電，并取代老舊的熱力發(fā)電廠。

通過(guò)擴(kuò)大燃料儲(chǔ)備保障能源安全，擺脫外國(guó)石油供給的不確定性。

大規(guī)模氫和合成燃料生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性。

一、第四代反應(yīng)堆（VHTR）與HSTE（高溫電解）的簡(jiǎn)介

1、HTSE簡(jiǎn)介

高溫蒸汽電解法（HTSE）是電解法的一個(gè)主要變體，被認(rèn)為在未來(lái)大有可為。與低溫水電解不同，蒸汽階段的電解總能量需求因汽化熱而減少，汽化熱可由熱能而非電能提供，成本更低。從下圖1中可以看出，隨著溫度的升高，輸入的電量也在減少，在 800-1000 °C 的高溫范圍內(nèi)，輸入的電量比傳統(tǒng)水電解低約 35%。

圖1：水/蒸汽電解的能量需求

這種高溫下的效率也明顯更高。HTSE 工藝的優(yōu)勢(shì)在于，當(dāng)與高效功率循環(huán)相結(jié)合時(shí)，其整體熱氫效率較高。HTSE 相當(dāng)于 SOFC 的反向工藝；設(shè)備可在兩種模式下運(yùn)行。因此，HTSE 的開(kāi)發(fā)可能會(huì)受益于 SOFC 領(lǐng)域正在進(jìn)行的研發(fā)工作。

2、VHTR和HTSE的結(jié)合

兩者的主要區(qū)別在于，高溫電解槽必須與熱源和電源相結(jié)合。核電廠，尤其是第四代核電廠，可以提供電力，而且在 VHTR（超高溫反應(yīng)堆） 的情況下，還可以提供相對(duì)較高的溫度和較高的凈功率循環(huán)效率。超高溫反應(yīng)堆核電制氫示意如下圖2：

圖2：基于VHTR的核電制氫過(guò)程

從本質(zhì)上講，電解槽由固體氧化物電解質(zhì)和沉積在兩側(cè)的導(dǎo)電電極組成。電解質(zhì)是一種導(dǎo)氧陶瓷材料，通常是 Y2O3 穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）和氧化鎂。待解離蒸汽和一些氫氣的混合物在 750-950 °C的溫度下供應(yīng)給氫電極。在氫電極-電解質(zhì)界面，蒸汽被分離成氫氣和氧氣：

氧離子在約 1.3 V 的電勢(shì)作用下穿過(guò)陶瓷電解質(zhì)，直至在電解質(zhì)-氧電極界面重新結(jié)合成氧氣：

然后，氧氣沿著陽(yáng)極（通常由 YSZ 和摻雜鍶的鑭錳礦 (LSM) 復(fù)合材料制成）流動(dòng)，而氫氣蒸汽混合物則沿著氫電極（孔隙率約為 30% 的 Ni/YSZ 金屬陶瓷）在電解質(zhì)的另一側(cè)流動(dòng)。預(yù)熱空氣或蒸汽可用作吹掃氣，以去除電堆中的氧氣。吹掃氣的目的是稀釋氧氣濃度，從而減少氧氣接觸部件的腐蝕。

純氧可由電解堆產(chǎn)生，如果能開(kāi)發(fā)出令人滿(mǎn)意的材料和/或涂層來(lái)制造氧氣處理（接觸）部件，純氧將成為一種寶貴的商品。在如此高的溫度下，所有反應(yīng)都進(jìn)行得非常迅速。蒸汽-氫氣混合物從電解堆排出，然后通過(guò)分離器將氫氣從殘余蒸汽中分離出來(lái)。進(jìn)入 HTSE 電池的原料氣流中含有 10% 的氫，以保持還原條件，避免氫電極中的鎳被氧化。HTSE 電池可以在高電流密度下運(yùn)行，因此可以在相對(duì)較小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的生產(chǎn)能力。實(shí)際的電-氫效率約為 90% 似乎是可以實(shí)現(xiàn)的。需要進(jìn)一步改進(jìn)的主要問(wèn)題仍然是氫電極的使用壽命，這受到降解（衰減）的限制。

能源需求的減少很大一部分與水的汽化有關(guān)，而水的汽化并不需要高溫?zé)崃?。一旦?shí)現(xiàn)汽化，為使電解質(zhì)具有足夠高的離子傳導(dǎo)性而達(dá)到高溫所需的額外熱量也可通過(guò)核加熱、氫氣和氧氣產(chǎn)生的顯熱回收以及電池（堆）固有電阻的自加熱來(lái)提供。氧的顯熱回收，以及電池（堆）因其固有電阻而產(chǎn)生的自加熱。

至于電力需求，預(yù)計(jì)為 2.6-3 kWh/Nm3 H2。不過(guò)，還必須增加蒸汽生產(chǎn)所需的熱量，以便為電池供電。生產(chǎn)熱蒸汽和電池在高溫下運(yùn)行的過(guò)程需要固體氧化膜電解質(zhì)。例如，Y2O3 穩(wěn)定 ZrO2 既是氣體分離器，又是電解質(zhì)，當(dāng)施加電壓時(shí)，氧離子開(kāi)始遷移。在 800 °C 左右的溫度下進(jìn)行蒸汽電解，其總效率（包括電能轉(zhuǎn)換效率）在 35-45% 之間。在 900 °C 時(shí)，效率甚至?xí)仙?50%左右。

目前有待解決的兩個(gè)主要問(wèn)題是提高電池的長(zhǎng)期性能，以及開(kāi)發(fā)大面積電池的制造和裝配技術(shù)，以降低商業(yè)化工廠的總體成本。

二、第四代反應(yīng)堆的發(fā)展進(jìn)展以及注意事項(xiàng)。

下一代核反應(yīng)堆（第四代）預(yù)計(jì)將在 20-30 年后問(wèn)世。然而，目前正在根據(jù)進(jìn)一步推動(dòng)核技術(shù)發(fā)展的要求，在安全和可靠性、防擴(kuò)散和實(shí)物保護(hù)、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)此類(lèi)反應(yīng)堆的概念。

未來(lái)，核電需要進(jìn)一步提高安全標(biāo)準(zhǔn)。核反應(yīng)堆的安全運(yùn)行可以通過(guò)設(shè)計(jì)極低的堆芯損壞概率和程度來(lái)實(shí)現(xiàn)，即使發(fā)生嚴(yán)重事故，也能將后果降至最低，并限制其對(duì)廠址的影響。事故管理將得到進(jìn)一步改善，公眾不會(huì)受到影響，幾乎不需要場(chǎng)外應(yīng)急響應(yīng)。要做到這一點(diǎn)，就必須有堅(jiān)固的設(shè)計(jì)、高水平的固有安全性和透明的安全功能，并在國(guó)際范圍內(nèi)分享經(jīng)驗(yàn)。為了具有競(jìng)爭(zhēng)力，可靠性和性能必須達(dá)到很高的水平，這可以通過(guò)考慮技術(shù)改進(jìn)以及提高個(gè)人和組織的績(jī)效來(lái)實(shí)現(xiàn)。

必須加強(qiáng)國(guó)際保障措施，防止裂變材料在濃縮和后處理活動(dòng)中被轉(zhuǎn)用于武器?？梢酝ㄟ^(guò)修改設(shè)計(jì)特征或其他創(chuàng)新措施和國(guó)際政策來(lái)控制核材料并確保其安全，使?jié)撛诘霓D(zhuǎn)用、盜竊或破壞行為失去吸引力，并使材料更難擴(kuò)散。堅(jiān)固的設(shè)計(jì)也是防止戰(zhàn)爭(zhēng)或恐怖主義行動(dòng)的一種手段。

可持續(xù)性是指滿(mǎn)足當(dāng)代和子孫后代需求的能力，主要體現(xiàn)在核燃料的長(zhǎng)期供應(yīng)和乏燃料的管理方面，并要求滿(mǎn)足環(huán)境目標(biāo)。可獲得的燃料資源至關(guān)重要，反應(yīng)堆的部署對(duì)于每種潛在的燃料循環(huán)（如一次通過(guò)法、改進(jìn)型開(kāi)放式循環(huán)或燃料后處理）也同樣重要。通過(guò)培育新的裂變材料或回收利用廢燃料，可以延長(zhǎng)資源的可用性。未來(lái)的放射性廢料管理必須包括能夠大幅減少安全儲(chǔ)存、運(yùn)輸和處置廢料數(shù)量的流程。

此外，大幅度降低毒性和不超過(guò)其自然極限的壽命將簡(jiǎn)化對(duì)儲(chǔ)存庫(kù)安全運(yùn)行的要求。

總結(jié)：核能可以通過(guò)以下幾種方式生產(chǎn)氫氣。

(1) 天然氣的核加熱蒸汽轉(zhuǎn)化

(2) 利用核能電解水、

(3) 利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的少量熱量和大量電能進(jìn)行 HTE，以及

(4) 利用核反應(yīng)堆的主要熱量和次要電力進(jìn)行水的熱化學(xué)裂解。

現(xiàn)有的輕水反應(yīng)堆僅適用于電解水，效率低于 30%。GIF 確定了未來(lái)開(kāi)發(fā)的六種核反應(yīng)堆系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以獲得許可、建造和運(yùn)行，以提供經(jīng)濟(jì)可靠的能源產(chǎn)品，同時(shí)圓滿(mǎn)解決核安全、廢物、核擴(kuò)散和公眾接受度等問(wèn)題。在這六種技術(shù)中，VHTR反應(yīng)堆是獨(dú)一無(wú)二的既能發(fā)電又能制氫的技術(shù)，其潛在效率最高，約為 50%。它也被認(rèn)為是最近部署的反應(yīng)堆。由于這些重要特性，美國(guó)能源部選擇它來(lái)示范下一代核電廠 (NGNP)，包括核熱氫聯(lián)產(chǎn)。