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内容简介
《核能制氢技术》系统地介绍了核能制氢的原理、方法、技术路线及最新研究进展。全书共分13 章，包括氢能与核能概述、核能系统与核能制氢技术、高温气冷堆、热化学碘硫循环分解水制氢技术、混合硫循环制氢技术、核能高温电解制氢、核热辅助的碳基燃料制氢技术、高温气冷堆与制氢技术的耦合、高温堆制氢安全特性分析、核能制氢系统中氢气的泄漏扩散、核能制氢在煤液化和氢冶金领域的应用、核能制氢经济性初步评价以及核能制氢技术生命周期评价。
本书可供研究和从事氢能、核能非发电应用、核能制氢等领域的科技人员和相关高等院校的研究生阅读参考。
目录
第1章 氢能与核能概述
1.1 氢能概述 001
1.1.1 “双碳”目标的提出 001
1.1.2 氢能在实现“双碳”目标中的角色 002
1.1.3 核能制氢在氢气大规模供应中的作用 007
1.2 氢能产业发展现状及未来趋势 008
1.2.1 氢能发展现状 008
1.2.2 制氢技术概述 011
1.3 我国核能发展现状与展望 013
1.3.1 我国核电发展现状 013
1.3.2 核能在实现“双碳”目标中的作用 014
1.4 核能制氢的意义 017
参考文献 017
第2章 核能系统与核能制氢技术
2.1 核能与核反应堆系统 019
2.1.1 核能 019
2.1.2 传统核反应堆系统 020
2.1.3 核反应堆的分代 020
2.1.4 第四代核能系统 022
2.1.5 核能制氢系统对反应堆的要求 030
2.2 核能制氢技术 032
2.2.1 甲烷蒸汽重整 033
2.2.2 热化学循环分解水 034
2.2.3 混合循环 039
2.2.4 高温蒸汽电解 041
2.2.5 水电解 042
2.2.6 核热辅助碳氢化合物及生物质转化制氢 043
2.2.7 水辐射分解制氢 043
2.3 核能系统与制氢技术的集成 044
2.3.1 核反应堆系统与天然气和煤转化制氢技术的集成 045
2.3.2 核能与高温蒸汽电解的结合 046
2.3.3 VHTR 与I-S 循环结合 047
2.3.4 VHTR 与HyS 循环耦合 048
2.3.5 SCWR 与Cu-Cl 循环耦合 049
参考文献 049
第3章 高温气冷堆
3.1 高温气冷堆技术的发展历程 052
3.1.1 早期及改进型气冷堆 052
3.1.2 高温气冷堆简介 053
3.1.3 模块式高温气冷堆 056
3.1.4 超高温气冷堆 063
3.2 高温气冷堆系统和设备 064
3.2.1 堆芯结构和燃料 064
3.2.2 一回路系统 070
3.2.3 燃料装卸系统 072
3.2.4 氦气净化系统 073
3.2.5 舱室冷却系统 074
3.2.6 反应堆安全壳 075
3.3 高温气冷堆的技术特性 076
3.3.1 固有安全性 076
3.3.2 多用途 077
3.3.3 灵活性 081
3.4 高温气冷堆用于核能制氢 081
3.4.1 核能制氢技术评价 081
3.4.2 核能制氢系统和设备 082
3.4.3 目前各国研究现状 083
3.5 小结 084
参考文献 084
第4章 热化学碘硫循环分解水制氢技术
4.1 碘硫循环分解水制氢原理 087
4.2 碘硫循环基础与工艺研究 088
4.2.1 Bunsen 单元 088
4.2.2 氢碘酸单元 096
4.2.3 硫酸单元 106
4.3 碘硫循环过程模拟与效率分析 108
4.3.1 单元模型建立与模拟 108
4.3.2 全流程模拟 117
4.3.3 碘硫循环制氢效率分析 119
4.3.4 碘硫循环过程工程材料 119
4.4 碘硫循环台架构建、闭合及连续运行 121
4.4.1 日本 121
4.4.2 美国 122
4.4.3 韩国 122
4.4.4 中国 123
4.5 碘硫循环制氢设备研发 125
4.5.1 Bunsen 反应器 125
4.5.2 氢碘酸分解器 127
4.5.3 硫酸分解器 129
参考文献 139
第5章 混合硫循环制氢技术
5.1 混合硫循环概述 146
5.2 二氧化硫去极化电解工艺概述 147
5.2.1 二氧化硫去极化电解发展概况 147
5.2.2 二氧化硫去极化电解与其他电解制氢工艺对比 148
5.3 二氧化硫去极化电解池结构 149
5.3.1 早期平行板结构SDE 电解池 149
5.3.2 PEM 型SDE 电解池 151
5.4 二氧化硫去极化电解催化剂 162
5.4.1 SDE 催化剂与PEM 水电解催化剂的差异 162
5.4.2 SDE 催化剂研究进展 163
5.5 二氧化硫去极化电解过程机理研究 166
5.5.1 SDE 阳极体系中S(Ⅳ) 向S(Ⅵ) 物质的转化 166
5.5.2 SDE 副反应及其应对策略 168
5.6 混合硫循环工艺路线与主要设备 170
5.6.1 SDE 电解工段 170
5.6.2 硫酸浓缩工段 171
5.6.3 硫酸分解工段 171
5.7 混合硫循环过程模拟与优化 175
5.8 混合硫循环应用前景与重点研究方向 179
参考文献 180
第6章 核能高温电解制氢
6.1 核能高温电解制氢系统耦合原理 184
6.1.1 SOEC 基本原理 185
6.1.2 SOEC 热力学与动力学分析 186
6.1.3 SOEC 的制氢效率 187
6.1.4 高温电解制氢技术的优势 188
6.2 SOEC 的基本组成与分类 191
6.2.1 电解质 191
6.2.2 阴极 192
6.2.3 阳极 193
6.2.4 SOEC 的连接体材料与密封材料 201
6.2.5 SOEC 的分类 203
6.3 SOEC 电堆与系统 204
6.4 SOEC 发展历程与现状 205
6.5 SOEC 多样化应用场景 207
6.5.1 SOEC 制油及化学品 207
6.5.2 基于SOEC 的氮循环工艺 208
6.5.3 可再生能源储能 210
6.5.4 基于SOEC 的新型混合能源系统 210
6.6 核能高温电解制氢能耗及经济性评价 212
参考文献 213
第7章 核热辅助的碳基燃料制氢技术
7.1 核热辅助的天然气重整制氢 223
7.1.1 天然气重整技术概述 223
7.1.2 核热辅助的天然气重整技术 225
7.2 核热辅助的煤气化制氢 242
7.2.1 煤气化制氢 242
7.2.2 核热辅助的煤气化制氢技术 243
7.3 核能与生物质耦合制氢 246
7.3.1 生物质热化学制氢 247
7.3.2 核能与生物质能联合制备氢或液体燃料 249
参考文献 252
第8章 高温气冷堆与制氢技术的耦合
8.1 引言 254
8.2 高温气冷堆与制氢系统耦合的整体介绍 254
8.3 高温气冷堆与制氢系统耦合的能量梯级利用原理 255
8.4 超高温气冷堆与碘硫循环制氢系统耦合方案研究 258
8.4.1 基于蒸汽透平循环的氢、电联产系统 258
8.4.2 基于蒸汽透平循环的热、电、氢联产系统 266
8.4.3 基于氦气透平循环的氢、电联产系统 271
8.5 碘硫循环制氢流程的优化研究 286
8.6 超高温气冷堆与混合硫循环制氢系统耦合方案研究 297
8.7 小结 312
参考文献 313
第9章 高温堆制氢安全特性分析
9.1 概述 315
9.1.1 氢能及核能的安全应用 315
9.1.2 核设施与制氢设施耦合的安全 316
9.2 核工艺热应用和核能制氢系统的安全要求 316
9.2.1 核工艺热用于工业领域的一般要求 316
9.2.2 核工艺热供应系统的一般安全策略与应对措施 317
9.3 高温堆制氢的安全特性 319
9.3.1 反应堆与制氢厂在事故状态下的相互影响 319
9.3.2 可燃工艺气体泄漏与扩散对反应堆的影响 329
9.3.3 有害化学物质的扩散及对反应堆的影响 332
9.4 高温堆制氢过程中氚的影响 338
9.4.1 氚的产生及一回路中氚的行为 338
9.4.2 氚（和氢） 通过金属壁的渗透及在反应堆各回路中的迁移研究 339
9.4.3 基于HTR-10 与HTR-PM 中氚的源项研究 352
9.4.4 氚的限值标准及碘硫循环制氢厂产物中氚含量评价 360
9.4.5 核能制氢过程关于氚问题需要进一步开展的研究工作 361
9.5 不同工艺的核能制氢厂的实践及安全问题 362
9.5.1 核能辅助的煤气化制氢项目 362
9.5.2 核辅助的甲烷蒸汽重整制氢方法的安全问题 363
9.5.3 核热碘硫热化学循环的安全问题 363
9.5.4 核热辅助的高温蒸汽电解工艺的安全问题 364
9.6 核能制氢厂非核设计的对策研究 364
9.6.1 核能制氢厂非核设计的原因 364
9.6.2 安全隔离距离选择及各国法规要求与实践 365
9.6.3 核能制氢厂非核设计的应对策略 368
参考文献 370
第10章 核能制氢系统中氢气的泄漏扩散
10.1 引言 373
10.2 反应堆与制氢厂的相互影响 373
10.3 氢气扩散 374
10.3.1 氢气泄漏扩散的原理 374
10.3.2 氢气泄漏扩散的研究方法 376
10.4 氢气扩散机理实验研究 376
10.4.1 开放空间中气体泄漏扩散规律 378
10.4.2 风洞实验中气体泄漏扩散规律 379
10.4.3 风洞实验中设置障碍物时气体泄漏扩散规律 379
10.5 氢气扩散数值模拟研究 387
10.5.1 风速和风向的影响 388
10.5.2 泄漏口直径的影响 391
10.5.3 泄漏排放口高度和角度的影响 393
10.5.4 危险条件的安全评估 394
10.6 抑制氢气泄漏扩散的方案研究 399
10.6.1 障碍物抑制氢气扩散的作用机理 399
10.6.2 立方体障碍物的作用规律 401
10.6.3 类球体和圆锥体障碍物的作用规律??405
10.6.4 圆柱面障碍物的作用规律 407
10.6.5 方案效果比较 409
10.7 小结 410
参考文献 412
第11章 核能制氢在煤液化和氢冶金领域的应用
11.1 概述 414
11.2 核能制氢在煤液化中的应用 415
11.2.1 传统煤液化过程 416
11.2.2 基于核能制氢的新型煤液化过程 417
11.3 核能制氢在氢冶金中的应用 419
11.3.1 基于高温气冷堆的炼钢系统描述 420
11.3.2 计算模型 423
11.3.3 结果与讨论 427
11.4 小结 430
参考文献 431
第12章 核能制氢经济性初步评价
12.1 概述 433
12.2 评价模型与方法 434
12.2.1 HEEP 软件简介 434
12.2.2 HEEP 软件的计算原理 436
12.3 核能制氢经济性分析结果 437
12.3.1 制氢厂能量供应方式的影响 437
12.3.2 碘硫循环制氢效率的影响 439
12.3.3 时间和经济参数的影响 441
12.3.4 不同制氢工艺经济性的比较 442
12.4 小结 444
参考文献 444
第13章 核能制氢技术生命周期评价
13.1 概述 446
13.1.1 高温堆混合硫循环制氢 447
13.1.2 高温气冷堆碘硫循环制氢 447
13.2 生命周期评价概念 448
13.2.1 概念与内涵 448
13.2.2 评价方法 449
13.2.3 影响类别 450
13.2.4 特征化 451
13.3 高温气冷堆混合硫循环制氢技术生命周期评价 452
13.3.1 目标与范围 452
13.3.2 清单分析 458
13.3.3 环境影响评价 459
13.3.4 结果与解释 460
13.4 高温气冷堆碘硫循环制氢技术生命周期评价 461
13.4.1 目标与范围 461
13.4.2 清单分析 464
13.4.3 环境影响评价 465
13.4.4 结果与解释 466
13.5 小结 467
参考文献 468
前言/序言
氢气作为一种二次能源，需要利用一次能源制备。目前我国氢气供应以化石燃料转化为主；可再生能源电力电解制氢，无疑将成为未来绿氢供应的主要途径，其发展方兴未艾。与此同时，一些利用其他一次能源（如核能）、适应不同应用场景的新型制氢技术也在不断发展中。
核能是清洁的一次能源，目前在世界范围内尤其是我国呈现出良好的发展态势。为实现核能的可持续发展，国际上于21 世纪初提出了第四代核能系统概念。除了反应堆系统自身性能、经济性等方面的重大改进外，提出要重视核能的非发电利用，特别是利用核能制氢。在可用于核能制氢的反应堆堆型中，高温气冷堆因其固有安全性、高出口温度等特点，被认为在核能制氢方面具有独特优势。在国家科技重大专项支持下，我国已建成了高温气冷堆示范电站并投入商运。实现核能制氢可以有效拓展核能特别是高温气冷堆工艺热的应用领域，也为我国将来绿氢大规模供应提供一条新的途径，对保持我国在第四代核能系统方面的领先优势及能源结构调整发挥重要作用。
作为一种新兴且具有特色的制氢方法，核能制氢在国际上的研发从20 世纪70 年代开始，在我国的研发也已有近20 年的历史，有大量成果发表，但目前国内尚未有相关领域的专著出版，为此我们组织编写了本书。
《核能制氢技术》对核能制氢用反应堆、制氢技术、反应堆与制氢厂的耦合等进行了介绍。全书共分13章：第1章氢能与核能概述，对我国氢能和核能产业的发展现状以及在实现“双碳”目标中的作用进行了概述；第2章核能系统与核能制氢技术，对核能与核反应堆系统、核能制氢技术以及典型的核反应堆与制氢系统的集成进行了介绍；第3章高温气冷堆，对高温堆技术的发展历程、系统与设备、技术特性及用于制氢的特点进行了介绍与分析；第4章热化学碘硫循环分解水制氢技术，对该技术的原理、工艺、过程模拟与优化、集成台架、关键设备等进行了介绍；第5章混合硫循环制氢技术，对二氧化硫去极化电解过程的工艺、催化剂、电解池结构、机理，以及混合硫循环的主要设备、流程和未来发展方向进行了介绍与论述；第6章核能高温电解制氢，对固体氧化物电解技术的原理、分类、电堆与系统、应用场景、经济性等进行了介绍与评述；第7章核热辅助的碳基燃料制氢技术，对核热辅助的甲烷重整、煤气化、核能与生物质耦合制氢等技术进行了介绍；第8章高温气冷堆与制氢技术的耦合，主要对高温气冷堆耦合热化学循环进行梯级热利用的原理、耦合方案以及氢电联产的设计方案进行了分析；第9章高温堆制氢安全特性分析，对核热与核氢系统的安全要求、核能制氢过程的安全特性、氚的产生及影响等进行了分析与论述，并介绍了不同核能制氢工艺的安全实践，提出了针对不同核能制氢技术的安全对策；第10章核能制氢系统中氢气的泄漏扩散，重点对核能制氢系统可能产生的氢气泄漏扩散及其对反应堆的安全影响进行了研究；第11章核能制氢在煤液化和氢冶金领域的应用， 提出了高温堆制氢用于煤液化和氢冶金两个工业领域的方案和效果；第12章对核能制氢经济性进行了初步评价；第13章核能制氢技术生命周期评价，利用生命周期评价方法对高温堆耦合碘硫循环和混合硫循环两种工艺进行了分析与评价。
本书主要由清华大学核能与新能源技术研究院（简称核研院）多年从事高温堆制氢研发的科研人员编写完成。全书内容的设计、编排及统稿由张平负责，共分13章，各章标题及作者如下：
第1章 氢能与核能概述（清华大学 张平）；
第2章 核能系统与核能制氢技术（清华大学 张平 石磊）；
第3章 高温气冷堆（清华大学 石磊 张皓杰）；
第4章 热化学碘硫循环分解水制氢技术（清华大学 张平 王来军 陈崧哲）；
第5章 混合硫循环制氢技术（清华大学 陈崧哲）；
第6章 核能高温电解制氢（清华大学 于波）；
第7章 核热辅助的碳基燃料制氢技术（清华大学 张平）；
第8章 高温气冷堆与制氢技术的耦合（清华大学 彭威 倪航）；
第9章 高温堆制氢安全特性分析（清华大学 张平， 德国于利希研究中心 Karl Verfondern）；
第10章 核能制氢系统中氢气的泄漏扩散（清华大学 彭威 高群翔）；
第11章 核能制氢在煤液化和氢冶金领域的应用（清华大学 彭威 曲新鹤倪航）；
第12章 核能制氢经济性初步评价（清华大学 彭威 倪航）；
第13章 核能制氢技术生命周期评价（北京林业大学 占露露 李瑞）。
中核能源科技有限公司张鹏工程师和清华大学核研院肖鹏工程师为本书的插图绘制、文稿校对、资料调研与整理做了大量工作，在此一并表示衷心感谢。
本书大部分章节的内容源自清华大学核研院承担的国家科技重大专项“大型先进压水堆与高温气冷堆示范电站”中“高温堆制氢关键技术研究”“高温堆制氢关键设备研究”“核能制氢安全特性分析”等课题的研究成果；也引用了部分国内外发表的相关论文和著作，均列在文献中，在此谨向原作者表示谢意。
核能制氢技术是一项新兴技术，涉及核能、化学化工、材料、安全分析等多学科和领域的理论、方法和知识，希望本书能对该领域的发展有所贡献，对相关读者有所裨益。由于作者学识和能力有限，书中难免有不足和疏漏之处，恳请读者批评指正。
作者
2024 年6 月10 日于北京
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