核能綜合利用研究現狀與展望
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熱化學循環制氫
熱化學循環制氫是通過水蒸氣熱裂解的高溫熱化學循環過程來制備氫氣。這一過程中主要利用反應堆提供的高溫熱，在上百條熱化學循環路線中，主要有?I－S?循環、Cu－Cl?循環、Ca－Br?循環、U－C?循環等可以與四代堆相匹配的技術路線。但是?I－S?循環制氫效率受溫度影響較大，在?900℃?以上效率可超?50％，但隨著溫度降到?800℃?以下，效率急劇下降。同時也需指出的是，熱化學循環是一個典型的化工過程，其工藝的規?；糯筮€存在一定風險；同時，高溫下的強腐蝕性對材料和設備也提出了較高的要求，生產廠房的占地面積也較大。因此，循環制氫技術主要挑戰在于優化技術路線、提高整個過程的效率、解決反應器腐蝕等問題。
目前日本原子能機構完成?I－S?循環制氫中試，制氫速率達到?150?L／h；清華大學建立了實驗室規模?I－S?循環實驗系統（60?L／h），并已實現系統的長期運行。
高溫電解制氫
高溫電解水蒸氣制氫氣（HTSE）以固體氧化物電解池（SOEC）為核心反應器，實現水蒸氣高效分解制備氫氣。由于高溫電解制氫技術具有高效、清潔、過程簡單等優點，近年來受到國內外研究者及企業的重視，已經成為與核能、風能、太陽能等清潔能源聯用來制氫的重要技術。因高溫電解制氫技術可與核能或可再生能源結合，用于清潔燃料的制備和二氧化碳的轉化，在新能源領域具有很好的應用前景。此外，由于可再生能源（如風能、太陽能、水能等）有很大的波動性，并且受地域的限制，在傳輸上遇到很大困擾，而利用高溫電解制氫技術為可再生能源的能源轉化和儲存提供了重要途徑，是未來新型能源網絡中不可或缺的重要組成。
高溫電解制氫技術主要包括電解質與電極材料、電解池、電解堆和系統?4?個層面。目前高溫電解制氫技術面臨的主要挑戰包括電解池長期運行過程中的性能衰減問題、電解池的高溫連接密封問題、輔助系統優化問題、大規模制氫系統集成問題。SOEC?是?HTSE?技術中的核心反應器（圖?4）。電解池（堆）中的電極／電解質材料在運行中存在著諸多分層、極化、中毒等問題，是導致系統衰減的重要原因。因此，需要針對?SOEC?工藝的特性，重點攻關電解池材料在高溫和高濕環境下的長期穩定性問題；同時提升?SOEC?單電池生產裝備的集成化和自動化水平，提高單電池良品率和一致性。大力發展千瓦級SOEC?制氫模塊的低成本和輕量化設計，提高規?；杉夹g水平，開發電解池堆的分級集成技術。解決了這些問題，就可以使其在經濟上具備一定的競爭力，從而更快進入實際應用領域。
圖 4 固體氧化物燃料電池（SOFC） ／固體氧化物電解池（SOEC）電堆結構和發電 ／制氫兩種模式工作原理
（a） SOFC／SOEC結構示意圖；（b） SOFC發電工作原理；（c） SOEC高溫電解制氫工作原理
目前，美國、德國、丹麥、韓國、日本和中國等國家都在積極開展相關方面的研究工作。德國?Sunfire?公司和美國波音公司合作，建成了國際規模最大的?150?kW?高溫電解制氫示范裝置，其制氫速率達到?40?Nm3／h。中國科學院上海應用物理研究所在?2015?年研制?5?kW?高溫電解制氫系統基礎上，以及中國科學院戰略性先導科技專項的支持下，于?2018?年開展了?20?kW?高溫電解制氫中試裝置的研制，并計劃于?2021?年建成國際首個基于熔鹽堆的核能制氫驗證裝置，設計制氫速率達到?50?Nm3／h。