有着“21世纪的终极能源”之称的氢能，是一种公认的清洁能源，因具有重量轻、环境友好，储量丰富，热值极高等多重特性而备受青睐。氢能对推动能源转型、促进全球经济可持续发展意义重大。

随着气候危机日益严峻，各国都在不断加速推进能源向低碳转型。在实现可持续发展的过程中，所有人都在谈论绿氢这种潜在的气体和燃料替代品，但另一种替代方案：利用核能制取的粉氢，却在很大程度上被忽视了。

目前，由于生产绿色氢气成本非常高，大多数氢气生产仍然依赖于天然气。根据国际能源署(IEA)的数据，2021年低排放氢气产量占全球氢气产量不足1%。谢菲尔德大学格兰瑟姆可持续未来中心负责人雷切尔·罗斯曼（Rachael Rothman）认为，粉氢通过核能分解水获得，整个运行系统十分低碳，粉氢可以成为绿氢的应急替代品，以支持该行业的更快扩张。

在欧盟委员会2月13日公布的可再生能源指令（RED II）要求的两项授权法案中，允许平均温室气体排放量低于 18 克 CO2当量每兆焦耳（64.8CO 2 e/kWh）的国家电网免除“额外性”的需要。有专家指出，按照法国电网前几年55-56gCO 2 e/kWh的温室气体排放率，法国将有望通过核能生产可再生氢。不过，欧盟委员会承诺关于 “低碳”氢的单独裁决将于明年年底前完成，届时对于核能制氢是否能纳入“低碳”氢的分类将会有最终定论。

1、什么是粉氢

目前世界上工业应用的制氢方法以化石燃料重整为主，在生产过程中会有二氧化碳等排放，称为灰氢。将天然气通过蒸汽甲烷重整或自热蒸汽重整制成的氢气，并在生产过程中使用碳捕集、利用与封存（CCUS）等技术捕获温室气体，则为蓝氢。通过使用可再生能源（例如太阳能、风能）电解水制成的氢气则称为绿氢。

粉氢是将核反应堆与先进制氢工艺耦合生产得到的氢气，在此过程中既能实现制氢过程的无碳排放，还可有效拓展核能的利用方式，提高核电厂的经济竞争力，是未来氢气大规模供应的重要解决方案。

核能制氢的技术路线可分为核电制氢（机组为制氢提供电能）、核热制氢（机组为制氢提供热能）和电热混合制氢（机组为制氢提供热能和电能）三种。能够与制氢工艺耦合的反应堆有多种选择, 而高温气冷堆能够提供高温工艺热，是目前最理想的高温电解制氢的核反应堆。在800℃下，高温电解的理论效率高于50%，温度升高会使效率进一步提高。在此种方案下，高温气冷堆（出口温度700℃～950℃）和超高温气冷堆（出口温度950℃以上）是目前最理想的高温电解制氢的核反应堆。

高温气冷堆提供了制氢需要的热源，其匹配的技术路线主要有两条：固体氧化物电解水制氢（SOEC）和碘硫循环制氢。高温固体氧化物电解水制氢（SOEC）为全固态结构，由阴极、阳极和电解质组成，从技术原理可分为氧离子传导型SOEC 和质子传导型SOEC，从结构类型可分为平板式和管式。碘硫循环制氢则主要分为本生反应、碘化氢分解和硫酸分解三个步骤，反应的净结果为水分解生成氢气和氧气。

两者相比，SOEC 的商业化成熟度较高，技术路线明确，无需贵金属材料，未来可以通过规模化实现降本，但瓶颈在于单堆功率较低，和核能的大规模工业制氢适配度较低。碘硫循环制氢尚未实现商业化，初期投资成本大，但具备规模经济性，与核能大规模工业制氢匹配度高。

2、核能制氢的两种技术路线

核能制氢的技术路线可分为核电制氢（机组为制氢提供电能）、核热制氢（机组为制氢提供热能）和电热混合制氢（机组为制氢提供热能和电能）三种。能够与制氢工艺耦合的反应堆有多种选择, 但从制氢的角度来看, 制氢效率与工作温度密切相关，高温 ( 出口温度700-950℃ ) 和超高温反应堆( 出口温度950 ℃以上) 是最优选择。

核电制氢即一般的电解水制氢，该工艺产氢效率（55%~60%）较低，美国开发的SPE先进电解水技术可将电解效率提升为90%，即便如此，由于核电站的热电转换效率仅为35%左右，因此核能电解水制氢最终的总效率只有30%甚至更低。在目前成熟的制氢工艺中，电解水制氢的成本最高，因此核电制氢目前基本不具备竞争优势，很难规模化推广应用。

核热制氢即热化学制氢，是将核反应堆与热化学循环制氢装置耦合，使水在800℃至1000℃下催化热分解，从而制取氢和氧，热能至氢能的转换率可达60%甚至更高，目前的最优方案是美国通用原子能公司开发的碘硫循环。

电热混合制氢是利用先进核反应堆提供的工艺热（约30%）和电能（约70%），在750℃至950℃的高温下将水蒸气高效电解为氢气和氧气，其制氢效率接近60%。

核热制氢和电热混合制氢目前技术成熟度仍较低，面临的主要挑战是耐高温材料的研发。制氢工艺都需要核反应堆提供高温工艺热，但这类反应堆全部属于第四代反应堆，目前除了高温气冷堆建成示范项目之外，其它的堆型均处于研究设计阶段，尚未进行工程验证，距商业化推广仍有较长时间，且面临很大不确定性。因此，美、英、日以及中国等核大国目前都将高温气冷堆列为核能制氢的首选方案。

3、主要核大国的研究方向和进程

美国能源部（DOE）早在2004年就启动了核能制氢研究工作，目前的主要进展仍是与现有核电机组匹配的低温电解制氢示范，对基于高温工艺热的热循环制氢和高温蒸汽电解制氢，开展了大量研究工作和原理验证，但其工业规模示范仍受制于高温反应堆的研发和商业化部署。

2019年以来，美国能源部先后支持了三个现役核电机组低温电解制氢商业示范项目，并提供总计约3000万美元的资金支持，这些项目全部由能源部下属爱达荷国家实验室牵头，计划最早于2023年投入运行，其制氢成本和对核电机组经济性的改善仍有待于验证。

在高温/超高温气冷堆尚未实现商业化应用的情况下，积极推进现有核电机组示范和规模化制氢无疑是更为务实的做法，事实上这也是改善美国现役核电机组经济性的重点举措之一，美国核电机组的持续运行面临着严峻的经济性挑战，自2013年以来已有10台机组在运行寿期内永久关闭，另有10多台机组宣布将在未来几年内关闭。

法国作为全球核电比例最高的国家，目前仍在开展高温热化学制氢和蒸汽电解制氢的试验研究工作，尚未开展在役压水堆核电机组制氢示范。2021年法国政府公布 的“法国2030计划”中，提出未来5年在氢能领域投入20亿欧元，并将核能列为生产绿氢的关键，但目前尚未提出明确的技术路线图。

英国核能制氢的技术路线同样是“两条腿“走路。短期内首先在在役核电机组上进行制氢示范和应用，中长期则优选高温气冷堆制氢，并将高温气冷堆作为其先进模块化反应堆的首选堆型，并提供资金支持示范项目建设，2021年英国政府颁布的“绿色工业革命10项计划”（Ten Point Plan）中，规划到2030年实现绿氢等效装机容量达到500万千瓦，核能被视为生产绿氢的主要来源之一。2021年5月，英国核工业协会（NIA）宣布其《氢能路线图》已获得英国核工业委员会（NIC）通过，提出到2050年英国1/3的氢需求由核能生产，但并未提出具体的实现路径，目前也未实质推进现役核电机组的示范制氢。

日本的首选方案是使用高温气冷堆制氢。日本原子力研究机构（JAEA）自1998年建成运行热功率30 MWe的高温气冷试验堆（HTTR），成功实现在850 ℃下稳定运行，2004年冷却剂出口温度达到950 ℃，该试验堆的主要目的是验证高温蒸汽制氢工艺，成功完成了连续一周的制氢试验运行。在高温试验堆的基础上，日本原子力研究机构进行了大功率（600 MWt）高温气冷堆设计研发，但一直未进行工程验证和项目建设。

国内也在积极推进核能制氢研究工作，优选方向同样是利用高温气冷堆核热制氢。清华大学从2004年开始论证核能制氢方法的可行性，随后开展了对碘硫循环核热制氢的基础性实验研究。“十二五”期间，国家设立高温气冷堆科技重大专项，主要目标之一是掌握碘硫循环和高温蒸汽电解制氢的关键技术。

2016年国家能源局《能源技术创新“十三五”规划》将高温气冷堆950℃高温运行及核能制氢的可行性作为研究目标之一。华能石岛湾高温气冷堆示范项目已建成运行，但利用其高温工艺热制氢仍须开展关键技术、关键设备与材料等一系列技术攻关。2021年9月，清华大学牵头，华能和中核集团参与成立了高温气冷堆碳中和制氢产业技术联盟，提出将在2022-2023年期间研究形成工业示范工程建设方案，启动示范工程项目相关工作。

4、核能制氢商业化还需克服诸多挑战

一是核能制氢的经济性尚待验证，成本是核能制氢能否实现大规模商业利用的关键因素。彭博新能源财经（BNEF）在其2021 年9 月发布的《探索核电制氢经济性》报告中就指出，目前在役核电机组平准化度电成本（LCOE）高昂，利用其制氢比风电或光伏制氢更为昂贵。除非核电与制氢系统的成本显著降低，核电制氢并不具备竞争力。二是能高效率制氢的高温气冷堆技术还不成熟，其工艺系统、关键设备、核心材料等技术都还需要进一步试验和改进。此外，安全性也是制约核能制氢的一大因素之一。中核工程咨询有限公司刘佳鑫表示：“如何保证与核电偶联的设备在氢运输等相关过程中的安全，是需要突破的重点和难点。”

谈及核能制氢的制约条件，清华大学工程物理系副研究员俞冀阳在接受中国环境报采访时表示，“瓶颈其实就是经济性和市场化，以及相应的配套基础设施建设。”

未来，随着核能制氢技术的进一步完善，核能在制氢方面的作用也会越来越大，有望成为将来氢气大规模供应的重要解决方案。

文章来源： 环 球零碳，能源杂志，中国核电网