最近關于核能電池可能的應用又時不時被報道，高達萬年以上的使用壽命令人咂舌。但如果將核能和氫能結合又會有怎樣的能源前景呢？

大量集中式能源生產有利于使用核電廠，核電廠應以基荷模式運行，再由常規電廠承擔高峰負荷。核電幾乎沒有空氣污染物的排放。因此，核能似乎也是大規模集中制氫的理想選擇。氫氣的未來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率。

社會和政府關于溫室氣體排放導致全球氣候變化的決策。

節約化石資源用于環保應用的需要（用核能替代傳統的工藝熱生產可節約高達 40% 的資源）。

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

通過擴大燃料儲備保障能源安全，擺脫外國石油供給的不確定性。

大規模氫和合成燃料生產和運輸的經濟性。

一、第四代反應堆（VHTR）與HSTE（高溫電解）的簡介

1、HTSE簡介

高溫蒸汽電解法（HTSE）是電解法的一個主要變體，被認為在未來大有可為。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，輸入的電量比傳統水電解低約 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 工藝的優勢在于，當與高效功率循環相結合時，其整體熱氫效率較高。HTSE 相當于 SOFC 的反向工藝；設備可在兩種模式下運行。因此，HTSE 的開發可能會受益于 SOFC 領域正在進行的研發工作。

2、VHTR和HTSE的結合

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

圖2：基于VHTR的核電制氫過程

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

氧離子在約 1.3 V 的電勢作用下穿過陶瓷電解質，直至在電解質-氧電極界面重新結合成氧氣：

然后，氧氣沿著陽極（通常由 YSZ 和摻雜鍶的鑭錳礦 (LSM) 復合材料制成）流動，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）在電解質的另一側流動。預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。

純氧可由電解堆產生，如果能開發出令人滿意的材料和/或涂層來制造氧氣處理（接觸）部件，純氧將成為一種寶貴的商品。在如此高的溫度下，所有反應都進行得非常迅速。蒸汽-氫氣混合物從電解堆排出，然后通過分離器將氫氣從殘余蒸汽中分離出來。進入 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行，因此可以在相對較小的體積內實現較大的生產能力。實際的電-氫效率約為 90% 似乎是可以實現的。需要進一步改進的主要問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，而水的汽化并不需要高溫熱量。一旦實現汽化，為使電解質具有足夠高的離子傳導性而達到高溫所需的額外熱量也可通過核加熱、氫氣和氧氣產生的顯熱回收以及電池（堆）固有電阻的自加熱來提供。氧的顯熱回收，以及電池（堆）因其固有電阻而產生的自加熱。

至于電力需求，預計為 2.6-3 kWh/Nm3 H2。不過，還必須增加蒸汽生產所需的熱量，以便為電池供電。生產熱蒸汽和電池在高溫下運行的過程需要固體氧化膜電解質。例如，Y2O3 穩定 ZrO2 既是氣體分離器，又是電解質，當施加電壓時，氧離子開始遷移。在 800 °C 左右的溫度下進行蒸汽電解，其總效率（包括電能轉換效率）在 35-45% 之間。在 900 °C 時，效率甚至會上升到 50%左右。

目前有待解決的兩個主要問題是提高電池的長期性能，以及開發大面積電池的制造和裝配技術，以降低商業化工廠的總體成本。

二、第四代反應堆的發展進展以及注意事項。

下一代核反應堆（第四代）預計將在 20-30 年后問世。然而，目前正在根據進一步推動核技術發展的要求，在安全和可靠性、防擴散和實物保護、經濟性和可持續性等領域開發此類反應堆的概念。

未來，核電需要進一步提高安全標準。核反應堆的安全運行可以通過設計極低的堆芯損壞概率和程度來實現，即使發生嚴重事故，也能將后果降至最低，并限制其對廠址的影響。事故管理將得到進一步改善，公眾不會受到影響，幾乎不需要場外應急響應。要做到這一點，就必須有堅固的設計、高水平的固有安全性和透明的安全功能，并在國際范圍內分享經驗。為了具有競爭力，可靠性和性能必須達到很高的水平，這可以通過考慮技術改進以及提高個人和組織的績效來實現。

必須加強國際保障措施，防止裂變材料在濃縮和后處理活動中被轉用于武器。可以通過修改設計特征或其他創新措施和國際政策來控制核材料并確保其安全，使潛在的轉用、盜竊或破壞行為失去吸引力，并使材料更難擴散。堅固的設計也是防止戰爭或恐怖主義行動的一種手段。

可持續性是指滿足當代和子孫后代需求的能力，主要體現在核燃料的長期供應和乏燃料的管理方面，并要求滿足環境目標。可獲得的燃料資源至關重要，反應堆的部署對于每種潛在的燃料循環（如一次通過法、改進型開放式循環或燃料后處理）也同樣重要。通過培育新的裂變材料或回收利用廢燃料，可以延長資源的可用性。未來的放射性廢料管理必須包括能夠大幅減少安全儲存、運輸和處置廢料數量的流程。

此外，大幅度降低毒性和不超過其自然極限的壽命將簡化對儲存庫安全運行的要求。

總結：核能可以通過以下幾種方式生產氫氣。

(1) 天然氣的核加熱蒸汽轉化

(2) 利用核能電解水、

(3) 利用核反應堆產生的少量熱量和大量電能進行 HTE，以及

(4) 利用核反應堆的主要熱量和次要電力進行水的熱化學裂解。

現有的輕水反應堆僅適用于電解水，效率低于 30%。GIF 確定了未來開發的六種核反應堆系統，這些系統可以獲得許可、建造和運行，以提供經濟可靠的能源產品，同時圓滿解決核安全、廢物、核擴散和公眾接受度等問題。在這六種技術中，VHTR反應堆是獨一無二的既能發電又能制氫的技術，其潛在效率最高，約為 50%。它也被認為是最近部署的反應堆。由于這些重要特性，美國能源部選擇它來示范下一代核電廠 (NGNP)，包括核熱氫聯產。