利用高温热能生产氢气并应用于工业流程
原子能研究院开发高温气冷堆“HECTOR”
美中推进速度快于韩国
韩国原子能研究院安装的氦回路高温水电解模块性能试验装置。韩国原子能研究院在2024年9月与POSCO Holdings合作，通过模拟高温气冷堆，利用氦气热量在高温水电解设施中成功开展制氢试验。 韩国原子能研究院提供
View original image“这是用于高温气冷堆（HTGR）的三结构各向同性包覆燃料颗粒（TRISO）试制品。是韩国原子能研究院在实验室里制作的。”
17日，在大田韩国原子能研究院研究室见到高温反应堆开发部长（博士）Kim Chansu 时，他一边摇晃着装在透明塑料容器里的极其细小的黑色颗粒，一边向记者如此表示。
TRISO（三结构各向同性，Tri-Structural ISOtropic）包覆燃料颗粒，是指用碳化硅陶瓷进行三重包覆、直径约1毫米的燃料颗粒。第四代反应堆之一——高温气冷堆（HTGR）就是使用这种TRISO包覆燃料颗粒作为核燃料。碳化硅是一种在1600摄氏度高温下也能保持稳定的材料，可以稳定地约束核燃料。由于被陶瓷包覆的核燃料难以再处理，即便落入恐怖分子之手，也难以被轻易滥用。
与第三代核电站相比安全性更高……可用于制氢和工业流程
目前在国内实现商运的第三代压水堆型反应堆，以水作为慢化剂和冷却剂。相比之下，高温气冷堆以石墨作为慢化剂，以氦气作为冷却剂。
氦气是一种不发生氧化反应、也不与中子发生反应的稳定物质。即使发生泄漏，也会逃逸到大气层外，因此放射性泄漏风险较低。即便发生冷却剂丧失事故，高温气冷堆的石墨堆芯也会吸收衰变热，从而减缓事故进程。凭借这些特性，高温气冷堆的安全性可以大幅高于压水堆型反应堆。Kim 部长解释称：“第三代反应堆本身就被设计得足够安全，只是高温气冷堆自身固有的稳定特性更强。”
![钢铁与石化成“碳中和解题手” 高温气体技术走红[挖掘能源]](http://www.asiae.co.kr/news/img_view.htm?img=2025042407412032555_1745448080.jpg)
高温气冷堆最大的优点，是能够产生高温热能。压水堆型反应堆的出口温度在300摄氏度左右，而高温气冷堆则可以产生700～950摄氏度的高温热。这一热能可用于制氢、石油化工等工业流程，也可用于海水淡化和区域供热。目前传统反应堆的主要目的在于“发电”，而高温气冷堆则是专门针对“热”的利用进行优化。
产业界期待，高温气冷堆能够成为钢铁、石油化工等高碳排放行业实现碳中和的解决方案。
在国内二氧化碳排放中占约15%（以2022年为准）的钢铁行业，要实现碳中和，引入氢基直接还原炼铁工艺是必不可少的。为此，降低制氢成本是当务之急，因为在当前每公斤氢气价格接近1万韩元的体系下，氢基还原炼铁难以具备经济性。若利用高温气冷堆，则可通过固体氧化物电解（SOEC）工艺以更低成本生产氢气。SOEC利用850摄氏度的高温水蒸气，在高温条件下，相较低温，仅需更少的电力即可制取氢气。
石油化工与钢铁一道，是国内两大高碳排放产业之一，约占温室气体排放的10%。为裂解石脑油并生产石油化工产品，需要800摄氏度以上的蒸汽。目前石油化工园区以液化天然气（LNG）作为燃料来产生高温蒸汽。如果将使用化石燃料的锅炉改为利用高温气冷堆产生的蒸汽，就可以大幅减少石油化工园区的碳排放量。
浦项制铁·SK·乐天等大企业也在关注
产业界看好高温气冷堆的潜力，正纷纷投身研究开发（R&D）。在科学技术信息通信部自2024年7月起启动的官民联合高温气冷堆开发项目中，除牵头机构韩国原子能研究院外，还有浦项制铁工程建设公司、Daewoo Construction、SK Eco Plant、乐天化学、浦项制铁国际、Donghwa Entec、Smart Power等7家企业参与。原子能研究院负责反应堆设计，浦项制铁工程建设公司、Daewoo Construction 和 Smart Power 参与电站工程设计。Donghwa Entec 预计负责反应堆换热器设计。
SK Eco Plant 负责研究利用高温电解制氢，乐天化学研究在石油化工流程中利用工艺热等商业化方案。浦项制铁国际则计划制定核燃料供应方案。浦项制铁工程建设公司与浦项制铁国际还将结合浦项制铁集团的钢铁业务，共同研究创造新产业的路径。Kim 部长表示：“我们的目标是到2027年前完成设计。”如果研发顺利推进，预计到2030年代初即可完成设计认证并进入商业化准备阶段。
高温气冷堆计划被设计为100兆瓦以下的小型模块化反应堆（SMR）。由于规模较小，可直接建在需要热能或蒸汽的需求点附近。韩国原子能研究院为国内首座高温气冷堆取名为“HECTAR（氦冷热能应用反应堆，HElium Cooled Thermal Application Reactor）”。这一名称蕴含双重含义：一是反应堆采用氦气冷却并用于热能应用，二是其占地面积可大幅小于大型核电站，缩小到以公顷（hectare）为单位的水平。
韩国原子能研究院在去年12月已与浦项制铁控股公司共同完成利用氦气进行高温电解制氢的实证试验。试验方式是利用高温氦气产生700摄氏度以上的水蒸气，并将其供应给高温电解模块以生产氢气。在此次实验中，每公斤氢气消耗不超过36千瓦时电力，即可生产1.9标准立方米（Nm³）的氢气。
中国已实现商用……美国也在加速
海外推进速度快于我国。全球化学企业陶氏化学（Dow Chemical）与 X-energy 今年3月已向美国核管理委员会（Nuclear Regulatory Commission，NRC）提交了高温气冷堆建设许可申请。此前，陶氏化学与 X-energy 已于2023年3月签署联合开发协议（Joint Development Agreement，JD），内容是共同推进高温气冷堆型小型模块化反应堆 Xe-100 的开发与示范项目。Xe-100 由4座单机容量80兆瓦的反应堆构成（总计320兆瓦）。
实际项目由陶氏化学100%子公司 Longmont Energy 负责。该公司计划在德克萨斯州 Seadrift 的陶氏化学用地内建设 Xe-100 反应堆。Xe-100 所生产的电力和蒸汽将被用于陶氏化学的生产流程。陶氏化学预计，将在2020年代后期开工建设，并在2030年代初实现反应堆投入运行。
美国政府也在积极支持。美国能源部计划在先进反应堆示范项目（Advanced Reactor Demonstration Program，ARDP）框架下，对 Xe-100 在7年内投资16亿美元，其中包括前期的8000万美元。X-energy 还与韩国 Doosan Enerbility 和 DL E&C 通过股权投资等方式共同参与该项目。去年10月，Amazon 也宣布将向 X-energy 投资5亿美元。
中国已于2023年12月开始商业运行由两座250兆瓦反应堆组成的高温气冷堆“HTR-PM”。该项目建于中国山东省石岛湾地区，目前为1850户家庭提供区域供热。其于2012年12月开工建设，2021年8月获得运行许可。中国政府表示，通过 HTR-PM 每年可替代3700吨煤炭，并减少6700吨二氧化碳排放。HTR-PM 联合体由中国华能集团（47.5%）、中国核工业建设集团（32.5%）和清华大学（20%）共同持股组成。
日本原子能研究开发机构在2010年建成高温气冷堆试验堆 HTTR，用于开展制氢实证研究。HTTR 在福岛核电站事故后曾一度停运，但已于2021年重新启动。HTTR 正与日本钢铁企业三菱公司共同开展天然气—蒸汽重整制氢研究，三菱计划将其应用于氢基还原炼铁。
<术语> 核能制氢
利用反应堆产生的热能和电力制取氢气的技术。通过利用核电站，可以在不产生碳排放的情况下大规模生产氢气。核能制氢技术包括：利用核电站电力进行的低温电解（碱性电解、质子交换膜电解等）、同时利用核电站电力和热能进行的高温电解（SOEC），以及利用核电站超高温热能的热化学制氢方式。目前低温电解方式已实现商业化，高温电解方式处于实证阶段，热化学工艺距离商业化仍需相当长时间。
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