核能制氫技術

第1章 氫能與核能概述
1.1 氫能概述 001
1.1.1 “雙碳”目標的提出 001
1.1.2 氫能在實現(xiàn)“雙碳”目標中的角色 002
1.1.3 核能制氫在氫氣大規(guī)模供應中的作用 007
1.2 氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢 008
1.2.1 氫能發(fā)展現(xiàn)狀 008
1.2.2 制氫技術概述 011
1.3 我國核能發(fā)展現(xiàn)狀與展望 013
1.3.1 我國核電發(fā)展現(xiàn)狀 013
1.3.2 核能在實現(xiàn)“雙碳”目標中的作用 014
1.4 核能制氫的意義 017
參考文獻 017
第2章 核能系統(tǒng)與核能制氫技術
2.1 核能與核反應堆系統(tǒng) 019
2.1.1 核能 019
2.1.2 傳統(tǒng)核反應堆系統(tǒng) 020
2.1.3 核反應堆的分代 020
2.1.4 第四代核能系統(tǒng) 022
2.1.5 核能制氫系統(tǒng)對反應堆的要求 030
2.2 核能制氫技術 032
2.2.1 甲烷蒸汽重整 033
2.2.2 熱化學循環(huán)分解水 034
2.2.3 混合循環(huán) 039
2.2.4 高溫蒸汽電解 041
2.2.5 水電解 042
2.2.6 核熱輔助碳氫化合物及生物質轉化制氫 043
2.2.7 水輻射分解制氫 043
2.3 核能系統(tǒng)與制氫技術的集成 044
2.3.1 核反應堆系統(tǒng)與天然氣和煤轉化制氫技術的集成 045
2.3.2 核能與高溫蒸汽電解的結合 046
2.3.3 VHTR 與I-S 循環(huán)結合 047
2.3.4 VHTR 與HyS 循環(huán)耦合 048
2.3.5 SCWR 與Cu-Cl 循環(huán)耦合 049
參考文獻 049
第3章 高溫氣冷堆
3.1 高溫氣冷堆技術的發(fā)展歷程 052
3.1.1 早期及改進型氣冷堆 052
3.1.2 高溫氣冷堆簡介 053
3.1.3 模塊式高溫氣冷堆 056
3.1.4 超高溫氣冷堆 063
3.2 高溫氣冷堆系統(tǒng)和設備 064
3.2.1 堆芯結構和燃料 064
3.2.2 一回路系統(tǒng) 070
3.2.3 燃料裝卸系統(tǒng) 072
3.2.4 氦氣凈化系統(tǒng) 073
3.2.5 艙室冷卻系統(tǒng) 074
3.2.6 反應堆安全殼 075
3.3 高溫氣冷堆的技術特性 076
3.3.1 固有安全性 076
3.3.2 多用途 077
3.3.3 靈活性 081
3.4 高溫氣冷堆用于核能制氫 081
3.4.1 核能制氫技術評價 081
3.4.2 核能制氫系統(tǒng)和設備 082
3.4.3 目前各國研究現(xiàn)狀 083
3.5 小結 084
參考文獻 084
第4章 熱化學碘硫循環(huán)分解水制氫技術
4.1 碘硫循環(huán)分解水制氫原理 087
4.2 碘硫循環(huán)基礎與工藝研究 088
4.2.1 Bunsen 單元 088
4.2.2 氫碘酸單元 096
4.2.3 硫酸單元 106
4.3 碘硫循環(huán)過程模擬與效率分析 108
4.3.1 單元模型建立與模擬 108
4.3.2 全流程模擬 117
4.3.3 碘硫循環(huán)制氫效率分析 119
4.3.4 碘硫循環(huán)過程工程材料 119
4.4 碘硫循環(huán)臺架構建、閉合及連續(xù)運行 121
4.4.1 日本 121
4.4.2 美國 122
4.4.3 韓國 122
4.4.4 中國 123
4.5 碘硫循環(huán)制氫設備研發(fā) 125
4.5.1 Bunsen 反應器 125
4.5.2 氫碘酸分解器 127
4.5.3 硫酸分解器 129
參考文獻 139
第5章 混合硫循環(huán)制氫技術
5.1 混合硫循環(huán)概述 146
5.2 二氧化硫去極化電解工藝概述 147
5.2.1 二氧化硫去極化電解發(fā)展概況 147
5.2.2 二氧化硫去極化電解與其他電解制氫工藝對比 148
5.3 二氧化硫去極化電解池結構 149
5.3.1 早期平行板結構SDE 電解池 149
5.3.2 PEM 型SDE 電解池 151
5.4 二氧化硫去極化電解催化劑 162
5.4.1 SDE 催化劑與PEM 水電解催化劑的差異 162
5.4.2 SDE 催化劑研究進展 163
5.5 二氧化硫去極化電解過程機理研究 166
5.5.1 SDE 陽極體系中S(Ⅳ) 向S(Ⅵ) 物質的轉化 166
5.5.2 SDE 副反應及其應對策略 168
5.6 混合硫循環(huán)工藝路線與主要設備 170
5.6.1 SDE 電解工段 170
5.6.2 硫酸濃縮工段 171
5.6.3 硫酸分解工段 171
5.7 混合硫循環(huán)過程模擬與優(yōu)化 175
5.8 混合硫循環(huán)應用前景與重點研究方向 179
參考文獻 180
第6章 核能高溫電解制氫
6.1 核能高溫電解制氫系統(tǒng)耦合原理 184
6.1.1 SOEC 基本原理 185
6.1.2 SOEC 熱力學與動力學分析 186
6.1.3 SOEC 的制氫效率 187
6.1.4 高溫電解制氫技術的優(yōu)勢 188
6.2 SOEC 的基本組成與分類 191
6.2.1 電解質 191
6.2.2 陰極 192
6.2.3 陽極 193
6.2.4 SOEC 的連接體材料與密封材料 201
6.2.5 SOEC 的分類 203
6.3 SOEC 電堆與系統(tǒng) 204
6.4 SOEC 發(fā)展歷程與現(xiàn)狀 205
6.5 SOEC 多樣化應用場景 207
6.5.1 SOEC 制油及化學品 207
6.5.2 基于SOEC 的氮循環(huán)工藝 208
6.5.3 可再生能源儲能 210
6.5.4 基于SOEC 的新型混合能源系統(tǒng) 210
6.6 核能高溫電解制氫能耗及經(jīng)濟性評價 212
參考文獻 213
第7章 核熱輔助的碳基燃料制氫技術
7.1 核熱輔助的天然氣重整制氫 223
7.1.1 天然氣重整技術概述 223
7.1.2 核熱輔助的天然氣重整技術 225
7.2 核熱輔助的煤氣化制氫 242
7.2.1 煤氣化制氫 242
7.2.2 核熱輔助的煤氣化制氫技術 243
7.3 核能與生物質耦合制氫 246
7.3.1 生物質熱化學制氫 247
7.3.2 核能與生物質能聯(lián)合制備氫或液體燃料 249
參考文獻 252
第8章 高溫氣冷堆與制氫技術的耦合
8.1 引言 254
8.2 高溫氣冷堆與制氫系統(tǒng)耦合的整體介紹 254
8.3 高溫氣冷堆與制氫系統(tǒng)耦合的能量梯級利用原理 255
8.4 超高溫氣冷堆與碘硫循環(huán)制氫系統(tǒng)耦合方案研究 258
8.4.1 基于蒸汽透平循環(huán)的氫、電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng) 258
8.4.2 基于蒸汽透平循環(huán)的熱、電、氫聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng) 266
8.4.3 基于氦氣透平循環(huán)的氫、電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng) 271
8.5 碘硫循環(huán)制氫流程的優(yōu)化研究 286
8.6 超高溫氣冷堆與混合硫循環(huán)制氫系統(tǒng)耦合方案研究 297
8.7 小結 312
參考文獻 313
第9章 高溫堆制氫安全特性分析
9.1 概述 315
9.1.1 氫能及核能的安全應用 315
9.1.2 核設施與制氫設施耦合的安全 316
9.2 核工藝熱應用和核能制氫系統(tǒng)的安全要求 316
9.2.1 核工藝熱用于工業(yè)領域的一般要求 316
9.2.2 核工藝熱供應系統(tǒng)的一般安全策略與應對措施 317
9.3 高溫堆制氫的安全特性 319
9.3.1 反應堆與制氫廠在事故狀態(tài)下的相互影響 319
9.3.2 可燃工藝氣體泄漏與擴散對反應堆的影響 329
9.3.3 有害化學物質的擴散及對反應堆的影響 332
9.4 高溫堆制氫過程中氚的影響 338
9.4.1 氚的產(chǎn)生及一回路中氚的行為 338
9.4.2 氚（和氫） 通過金屬壁的滲透及在反應堆各回路中的遷移研究 339
9.4.3 基于HTR-10 與HTR-PM 中氚的源項研究 352
9.4.4 氚的限值標準及碘硫循環(huán)制氫廠產(chǎn)物中氚含量評價 360
9.4.5 核能制氫過程關于氚問題需要進一步開展的研究工作 361
9.5 不同工藝的核能制氫廠的實踐及安全問題 362
9.5.1 核能輔助的煤氣化制氫項目 362
9.5.2 核輔助的甲烷蒸汽重整制氫方法的安全問題 363
9.5.3 核熱碘硫熱化學循環(huán)的安全問題 363
9.5.4 核熱輔助的高溫蒸汽電解工藝的安全問題 364
9.6 核能制氫廠非核設計的對策研究 364
9.6.1 核能制氫廠非核設計的原因 364
9.6.2 安全隔離距離選擇及各國法規(guī)要求與實踐 365
9.6.3 核能制氫廠非核設計的應對策略 368
參考文獻 370
第10章 核能制氫系統(tǒng)中氫氣的泄漏擴散
10.1 引言 373
10.2 反應堆與制氫廠的相互影響 373
10.3 氫氣擴散 374
10.3.1 氫氣泄漏擴散的原理 374
10.3.2 氫氣泄漏擴散的研究方法 376
10.4 氫氣擴散機理實驗研究 376
10.4.1 開放空間中氣體泄漏擴散規(guī)律 378
10.4.2 風洞實驗中氣體泄漏擴散規(guī)律 379
10.4.3 風洞實驗中設置障礙物時氣體泄漏擴散規(guī)律 379
10.5 氫氣擴散數(shù)值模擬研究 387
10.5.1 風速和風向的影響 388
10.5.2 泄漏口直徑的影響 391
10.5.3 泄漏排放口高度和角度的影響 393
10.5.4 危險條件的安全評估 394
10.6 抑制氫氣泄漏擴散的方案研究 399
10.6.1 障礙物抑制氫氣擴散的作用機理 399
10.6.2 立方體障礙物的作用規(guī)律 401
10.6.3 類球體和圓錐體障礙物的作用規(guī)律??405
10.6.4 圓柱面障礙物的作用規(guī)律 407
10.6.5 方案效果比較 409
10.7 小結 410
參考文獻 412
第11章 核能制氫在煤液化和氫冶金領域的應用
11.1 概述 414
11.2 核能制氫在煤液化中的應用 415
11.2.1 傳統(tǒng)煤液化過程 416
11.2.2 基于核能制氫的新型煤液化過程 417
11.3 核能制氫在氫冶金中的應用 419
11.3.1 基于高溫氣冷堆的煉鋼系統(tǒng)描述 420
11.3.2 計算模型 423
11.3.3 結果與討論 427
11.4 小結 430
參考文獻 431
第12章 核能制氫經(jīng)濟性初步評價
12.1 概述 433
12.2 評價模型與方法 434
12.2.1 HEEP 軟件簡介 434
12.2.2 HEEP 軟件的計算原理 436
12.3 核能制氫經(jīng)濟性分析結果 437
12.3.1 制氫廠能量供應方式的影響 437
12.3.2 碘硫循環(huán)制氫效率的影響 439
12.3.3 時間和經(jīng)濟參數(shù)的影響 441
12.3.4 不同制氫工藝經(jīng)濟性的比較 442
12.4 小結 444
參考文獻 444
第13章 核能制氫技術生命周期評價
13.1 概述 446
13.1.1 高溫堆混合硫循環(huán)制氫 447
13.1.2 高溫氣冷堆碘硫循環(huán)制氫 447
13.2 生命周期評價概念 448
13.2.1 概念與內涵 448
13.2.2 評價方法 449
13.2.3 影響類別 450
13.2.4 特征化 451
13.3 高溫氣冷堆混合硫循環(huán)制氫技術生命周期評價 452
13.3.1 目標與范圍 452
13.3.2 清單分析 458
13.3.3 環(huán)境影響評價 459
13.3.4 結果與解釋 460
13.4 高溫氣冷堆碘硫循環(huán)制氫技術生命周期評價 461
13.4.1 目標與范圍 461
13.4.2 清單分析 464
13.4.3 環(huán)境影響評價 465
13.4.4 結果與解釋 466
13.5 小結 467
參考文獻 468