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        核能制氫面臨的主要挑戰與建議

        能源發展網發布時間:2022-03-23 00:00:00

        在國家科技部“863”計劃和國家科技重大專項的支持下,我國先后成功完成了10MW高溫氣冷實驗堆(HTR-10) 的建設和球床模塊式高溫氣冷堆核電站(HTR-PM)的研發。2021年12月20日,全球首座球床模塊式高溫氣冷堆核電站——山東榮成石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程并網發電,意味著在該領域我國已成為世界核電技術的領跑者。為拓寬高溫氣冷堆及核能的應用范圍,充分利用高溫氦氣的潛力提升發電效率、開發多用途高溫工藝熱利用場景,國家重點研發計劃“核安全與先進核能技術”重點專項,支持了國內有關單位積極開展“高溫氣冷堆超高溫特性研究與實驗驗證研究”等。

        “核安全與先進核能技術”重點專項研究梳理了核能制氫發展面臨的主要挑戰與建議。

        核能制氫創新發展面臨的主要挑戰

        1.統籌考慮核能制氫的產能和用能協調性問題

        目前,相關核能制氫研發項目是考慮將“超高溫堆+中間換熱器+工藝熱利用回路”耦合在一起,研究分析通過中間換熱器銜接的雙系統耦合,并針對多種組合方案開展系統性能的研究,通過商用高溫換熱器設計和制造技術開發應用,突破產能單元和用能單元自成一體的問題,對反應堆系統能源網絡開展優化設計,進一步提高其能源利用率和經濟性。

        這里用能單元擬采取碘硫循環制氫等熱化學循環分解水制氫方法,可能過于單一。從核能制氫技術發展本身看,是否有更好的熱化學制氫技術方法,做好反應堆產能與其高溫工藝熱制氫相互促進、協調發展,以全面提升核能制氫的先進性、可靠性及經濟性。同時結合制氫原料選擇,研究開發少排或不排CO2的新制氫技術工藝,已經十分重要。

        2.核能制氫的經濟性及應用前景的不確定性突出

        氫氣不僅是一種有發展前途的新能源,也是石油化工的重要原料,對化工產業轉型十分重要。隨著人們對燃料清潔性要求的日益提高,石化、氫冶金、氫能運輸等發展對氫氣的需求將越來越大。目前,石化領域氫氣用量隨著煉油廠和重質油加工比例的增大等原因而持續增加,工業氫的烴類水蒸氣轉化法(如天然氣重整工藝等)和部分氧化法(POX)等生產方法和產業發展日益成熟,規模大、成本低。而部分氧化制氫氣化技術能將低價值物料(重質高硫、高金屬渣油、瀝青以至焦炭、褐煤)轉化為各種增值產品如電力、蒸汽、氫氣和各種化學品,從而取代大量的輕質烴類原料,該技術發展成為既是工藝技術又是環境控制技術。氫氣生產已像供水、供電、供汽等公用工程一樣,是煉油廠必不可少的公用工程項目。同時,制氫裝置向大型及超大型化發展,自動控制水平也在不斷提高。為此,結合核能制氫技術工藝發展情況及實際需求,有必要深入探索核能制氫發展方向和重點,切實實現利用核熱顯著提高制氫效率,持續提升其市場競爭力。

        為實現“雙碳”政策目標,核能制氫碘硫循環等方法雖然能滿足減少或消除碳排放的政策要求,但其工藝方法的成熟度、生產規模和經濟性及其應用前景面臨較大不確定性。從提高核能制氫的經濟性和競爭發展的角度看,我國需要加大探索開發新的綠氫制備技術。

        此外,有關部門正考慮在有條件的地區通過氫氣管線和廠外能提供氫資源的企業聯網建立更大規模的氫庫系統,核能制氫的發展也要結合氫的安全等問題,統籌考慮氫的制備與儲存和運輸協調問題。

        3.高溫氣冷堆制氫中間換熱器的研制面臨的挑戰

        中間換熱器長期服役于高溫、高壓、腐蝕、粉塵等嚴苛環境,材料和結構面臨長期的考驗,為實現碘硫循環工藝或固體氧化物電解質電解(SOEC)技術,其設計溫度高達950℃,隨著出口提高到850℃以上,材料的高溫蠕變性能出現明顯的變化,長時承載能力顯著下降。中間換熱器出口集箱結構復雜,其焊縫處于結構熱應力最大的位置,對焊接的質量要求較高,包括焊接工藝穩定性、焊縫強度滿足設計要求以及焊接成功率高。不穩定的焊接工藝將會導致中間換熱器使用壽命的降低,增加加工過程中的返工率和生產成本。目前,國產材料由于制造和焊接工藝等原因,其性能能否滿足相關規范的要求尚需試驗驗證??紤]到目前相關核能制氫研發項目,針對中間換熱器研制,開展了鎳基合金換熱板的微通道蝕刻工藝研究,為此,搞清楚能否在多種金屬爆破一次焊接成型材料換熱板上開展化學蝕刻的工藝研究,十分重要。

        此外,選擇及研發用能單元與產能單元耦合的技術及方式要充分考慮其對核安全評估的影響。

        對策建議

        為積極推進核能制氫創新發展,建議政府有關部門及相關企業在核能制氫工藝方法優化與改進、中間換熱器及其部分關鍵部件研發制造、滿足核安全要求的氫制備與儲存和運輸技術等方面,要在推動核能制氫全過程工程咨詢服務業發展的基礎上,立足實際,充分做好調研和評估工作,理性投資,積極增加一些新課題研發,加強核能界與相關各方的合作與交流,加快制氫環節科研技術開發。

        當前,要以科技創新為驅動力,加強知識產權保護和標準引領,大力培養和引進核能制氫人才和研發企業,并考慮國外實地調研掌握最新國際動態,進一步明確和聚焦市場應用情景,重點探索新的工藝熱利用制氫途徑和方法研究,加大中間換熱器的材料及制造工藝研發力度及經濟性評價,切實提高核能制氫的實際應用價值,為核能制氫及其儲運、應用的創新發展創造健康、有利的環境,為開展核能制氫商業示范工程建設奠定堅實基礎。

        在核能制氫工藝方法優化與改進方面。目前全球每年總共需要近億噸氫氣應用于氨的生產、有機物的加氫、石油精煉、金屬冶煉、電子制造、產生高溫火焰以及冷卻熱發電機等方面。但迄今為止,95%以上的氫氣是通過化石燃料重整來獲得,生產過程必然排出CO2。而電解水技術可實現CO2的零排放,約占全世界4%~5%的氫氣生產量。相對于可再生能,核能發電電流密度高且穩定,可耦合采用固體氧化物電解質電解,但有待電極材料進一步研發成熟,同時可研究采用高壓電解槽的SPE為質子交換膜(PEM)技術等,優化電解池堆集成技術、解決長時間運行性能衰竭等問題,持續降低電解的設備投資和生產成本。而同時銅氯循環反應技術(最高溫度要求530℃)正在中試階段,依然存在較大優化與改進空間,要考慮加大對不排或少排CO2的新制氫技術工藝,及其針對相關金屬材料開展氫脆現象影響分析的支持力度,以打通不同溫度下熱化學制氫等路徑,實現核能到氫能的高效轉化,最終以實現核能制氫最優化的經濟性為目標。

        這里打通不同溫度下熱化學制氫路徑,可為針對高溫氣冷堆一回路溫度提升時反應堆物理、熱工設計及運行的特性,開發適用于超高溫運行的高效氦凈化及再生系統工藝流程、關鍵凈化設備,以及開展反應堆一回路壓力容器、熱氣導管、堆內構件、蒸汽發生器等的運行分析評價及材料高溫性能測試和提升等研究開發,爭取更多寶貴時間,創造更寬松條件,在探索反應堆適應性的同時,實現核能制氫實際應用價值。

        在中間換熱器及其部分關鍵部件研發制造方面。建議考慮其多層鎳基合金板能否采取多種金屬爆破一次焊接成型,同時,可考慮碳碳材料或碳纖維材料等的選取??山Y合多種金屬爆破一次焊接成型材料特點及換熱板微通道結構形式,調配蝕刻液成分、濃度、溫度、流速、時間等工藝參數,研究不同形狀流道的蝕刻方法,研發形成相適配的蝕刻工藝,精確控制蝕刻工藝參數,以保證蝕刻的微通道形狀和尺寸。同時,開展金屬爆破一次成型方法研制的中間換熱器相關研究情況與氦-氦印刷電路板式(PCHE)中間換熱器的擴散焊結構評價效果等的對比研究,多種途徑開展中間熱交換器安全設計演示驗證,保障核反應堆與制氫廠的運行匹配,保證制氫廠的放射性水平足夠低及規避氚的風險等。

        在化學循環制氫工藝方法中關鍵設備材料方面。建議加強設備材料開發的經濟性及可預測性評估,從而能夠對選定制氫工藝方法的開發有確定性,也能更好評估選定技術的產氫經濟性。在制氫儲氫裝備用材方面,建議加強基礎材料抗氫性能和應用研究,如:銅及銅合金、鎳基合金、鈦及鈦合金、鋁合金、鎢鉬合金、碳碳材料等材料及其復合材料,實現既能滿足制氫儲氫裝備要求,又能節約材料使用成本,節約稀貴金屬資源。

        在滿足核安全要求的氫制備與儲存等技術方面。主要針對有關方面的氫氣管線和廠外氫庫系統建設,兼顧核電廠與可再生能源混合能源系統制氫及靈活性電源建設等的需要,考慮制氫中穩態氫的催化劑、吸能材料等的開發利用,促進氫液化循環,加強氫脆及氫相關自動檢測技術研究,提高核能制氫的壓縮、儲存安全,以便轉換至液態便于遠距離運輸至氫液化基地。要在開展以制氫為目的核設施優化設計的同時,考慮石墨烯防爆材料應用等,加快相關催化劑和石墨烯防爆、抗氧化與耐腐蝕等材料及相關設備、工程屏障等的開發利用,切實滿足核能制氫核安全“縱深防御”要求,保障核能大規模制氫的安全,以利于統籌規劃,合理布局,規劃建設符合核安全監管要求的核能制氫基地等,并滿足核能制氫的商業出口要求。

        (來源:中國核工業,作者:汪永平 本文為中國電促會核能分會專家組課題,作者為該課題執筆人,單位為中核工程咨詢公司)

         

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