核能是满足能源供应、保证国家安全的重要支柱之一。目前核能主要用于发电，只有少数反应堆应用于核能供热和海水淡化。随着技术的发展，尤其是第四代核反应堆系统技术逐渐成熟和应用，核能有望超脱出仅仅提供电力的角色。《核能综合利用》围绕核能及核能综合利用，对核能综合利用中的关键技术如先进核能系统、熔盐物理化学和熔盐储热、固体氧化物电解水制氢技术、高温热能存储进行了系统化的介绍，阐述了核能综合利用研究现状以及未来发展趋势，展望了核能在未来构建多能融合的综合能源系统中的重要作用。

目录
丛书序
前言
第1章 核能综合利用研究现状与展望 1
1.1 核能综合利用国内外现状及优势 1
1.1.1 国内外现状 1
1.1.2 优势 2
1.2 第四代核反应堆系统 3
1.2.1 第四代核反应堆系统的特点及国际研究现状 3
1.2.2 钍基熔盐堆核能系统 3
1.3 核能综合利用研究现状 4
1.3.1 高效发电 4
1.3.2 核能制氢 5
1.3.3 海水淡化 15
1.3.4 核能供热 15
1.3.5 高温热利用 16
1.4 展望 17
参考文献 18
第2章 先进核能系统 19
2.1 先进核能系统简介 19
2.1.1 主流核能系统描述 20
2.1.2 先进核能系统的特点 24
2.2 小型模块化反应堆系统 27
2.2.1 小型模块化水冷反应堆 27
2.2.2 小型模块化气冷反应堆 31
2.2.3 小型模块化液态金属冷却反应堆 34
2.2.4 小型模块化熔盐冷却反应堆 36
2.3 第四代核反应堆系统 39
2.3.1 超高温堆 39
2.3.2 超临界水堆 43
2.3.3 气冷快堆 46
2.3.4 铅冷快堆 48
2.3.5 钠冷快堆 50
2.3.6 熔盐堆 53
参考文献 55
第3章 熔盐物理化学和熔盐储热 58
3.1 熔盐的种类 58
3.2 熔盐的物理化学性质 59
3.3 熔盐相图 62
3.3.1 相平衡原理 62
3.3.2 熔盐相图分类 63
3.3.3 熔盐相图研究方法 67
3.4 熔盐结构研究和谱学分析 68
3.4.1 液态熔盐的微观结构 68
3.4.2 液态熔盐的结构模型 69
3.4.3 液态熔盐的结构分析方法 72
3.5 熔盐储热 75
3.5.1 熔盐储热原理 75
3.5.2 常用的储热熔盐 77
3.6 熔盐腐蚀 79
3.6.1 腐蚀类型 80
3.6.2 不同熔盐的腐蚀性 81
3.6.3 熔盐腐蚀的研究手段 83
3.6.4 太阳能热发电中的熔盐化学 85
3.7 核能中的熔盐化学 85
3.8 熔盐的其他应用 86
3.8.1 燃料电池中的熔盐化学 86
3.8.2 生物质的熔盐化学 87
参考文献 88
第4章 固体氧化物电解水制氢技术 92
4.1 国内外的优势企业 93
4.1.1 美国BE公司 93
4.1.2 德国Sunfire 94
4.1.3 美国FuelCell Energy 99
4.1.4 美国康明斯公司 100
4.1.5 丹麦Haldor Topsoe 100
4.1.6 美国Nexceris 101
4.1.7 日本三菱重工 101
4.1.8 英国Ceres Power 102
4.1.9 芬兰Convion 102
4.1.10 爱沙尼亚Elcogen 103
4.1.11 日本新能源 产业技术综合开发机构 104
4.1.12 中国科学院上海应用物理研究所 105
4.1.13 清华大学 107
4.1.14 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 108
4.1.15 上海氢程科技有限公司 108
4.1.16 北京思伟特新能源科技有限公司 110
4.1.17 北京质子动力发电技术有限公司 110
4.1.18 浙江氢邦科技有限公司 111
4.2 SOEC应用 112
4.2.1 SOEC用于合成氨 112
4.2.2 SOEC用于氢冶金 114
4.2.3 SOEC用于制备化工原料 114
4.3 存在的问题 115
第5章 高温热能存储 117
5.1 热能资源 119
5.1.1 燃料能源 119
5.1.2 太阳能 119
5.1.3 核能 121
5.1.4 地热能 121
5.2 热能存储 122
5.3 高温热能存储原理 123
5.3.1 热力学基础原理 124
5.3.2 热力学**定律 130
5.3.3 热力学第二定律及热效率 132
5.3.4 传热学基础原理 134
5.3.5 能量平衡原理 142
5.4 高温热能存储方法及技术 147
5.4.1 引言 147
5.4.2 高温显热储热 151
5.4.3 高温相变储热 154
5.5 高温热能存储系统及应用 162
5.5.1 余热资源 163
5.5.2 余热回收的换热设备 170
5.5.3 热泵 176
5.5.4 余热回收中的能量存储 180
5.5.5 太阳能热存储 184
5.6 高温热能存储的发展机遇与挑战 191
5.6.1 高温热能存储的发展机遇 191
5.6.2 高温热能存储发展面临的挑战 192
参考文献 194

第1章 核能综合利用研究现状与展望
　　核能是满足能源供应、保障国家安全的重要支柱之一。核电在技术成熟性、经济性、可持续性等方面具有很大的优势，同时相较于水电、光电、风电具有无间歇性、受自然条件约束少等优点，是可以大规模替代化石能源的清洁能源。目前核能主要用于发电，只有少数反应堆用于核能供热和海水淡化。随着技术的发展，尤其是第四代核反应堆系统技术逐渐成熟和应用，核能有望超脱出仅仅提供电力的角色。本章围绕核能的综合利用，从高效发电、核能制氢、海水淡化、核能供热和高温热利用的角度，分别阐述了核能综合利用现状以及未来发展趋势，*后展望了核能在未来构建多能融合的综合能源系统中的重要作用。
　　1.1 核能综合利用国内外现状及优势
　　1.1.1 国内外现状
　　全球发电总量中，核能发电比例约为10%，截至2023年12月，全球31个国家共有418座商用核动力反应堆在运行，总装机容量达378GW，在建核电机组25座，在建核电机组总装机容量21.3GW。此外，在9个国家还有大约12座研究堆在计划中[1，2]。
　　国家核安全局和国家能源局统计，截至2024年12月31日，我国投入商业运行的核电机组57台(不含台湾省)，总装机容量59.4GW，核电机组累计发电量为4451.75亿kW h，占总发电量的4.73%。核电设备平均利用小时数为7805.74h，设备平均利用率为90.26%[3]。与燃煤发电相比，2024年核能发电相当于减少燃烧标准煤12752.83万t，减少排放二氧化碳33412.41万t、二氧化硫108.40万t、氮氧化物94.37万t。截至2023年底，在建的核电机组11台，总装机容量11GW。
　　在确保安全的基础上高效发展核电是我国当前能源建设的一项重要政策，对保障能源供应与安全、保护环境、实现可持续发展具有十分重要的意义。国家发展和改革委员会、国家能源局在《能源发展“十三五”规划》中明确了“十三五”时期我国能源发展的路径和主要任务，提出努力构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系。国家发展和改革委员会、国家能源局发布的《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》也明确提出先进核能技术创新。在第三代压水堆技术全面处于****水平基础上，推进快堆及先进模块化小型堆示范工程建设，实现超高温气冷堆、熔盐堆等新一代先进堆型关键技术设备材料研发的重大突破。完成超高温气冷堆在950℃高温运行及核能制氢的可行性论证，建设高温气冷堆700℃工艺热示范工程；建成先进模块化小型堆示范工程(含海上核动力平台)。熔盐堆、行波堆、聚裂变混合堆等先进堆型关键材料及部分技术取得重要突破。研究基于可再生能源及先进核能的制氢技术等的标准化和推广应用，实现示范应用并推广。
　　1.1.2 优势
　　从能源效率的观点来看，直接使用热能是更为理想的一种方式，发电只是核能利用的一种形式(图1.1)。随着技术的发展，尤其是第四代核反应堆系统技术逐渐成熟和应用，核能有望超脱出仅仅提供电力的角色，通过非电应用如核能制氢、高温热利用、核能供热、海水淡化等各种综合利用，在确保全球能源和水安全的可持续性发展方面发挥巨大的作用[4]。
　　图1.1 不同核反应堆及应用的温度范围[6]
　　VHTR-超高温气冷堆；GFR-气冷快堆；PWR-压水反应堆；BWR-沸水反应堆
　　核能制氢与化石能源制氢相比具有许多优势，除了降低碳排放之外，第四代核反应堆可以提供更高的输出温度，生产氢气的电能消耗也更少。目前，约20%的能源消耗用于工艺热应用，高温工艺热在冶金、稠油热采、煤液化等应用市场的开发将在很大程度上影响核能发展。用核能供热取代化石燃料供暖，在保证能源安全、减少碳排放、价格稳定性等方面具有巨大的优势。目前，全球饮用水需求日益增长，而核能用于海水淡化已被证明是满足该需求的一个可行选择，这为缺少淡水的地区带来了希望。利用核能淡化的海水还可用于核电厂的有效水管理，为运行和维护的所有阶段定期
　　供水。
　　1.2 第四代核反应堆系统
　　1.2.1 第四代核反应堆系统的特点及国际研究现状
　　第四代核反应堆系统的主要特征是经济性高、安全性好、废物产生量小，并能防止核扩散[5]。而核能制氢、高温热利用、核能供热、海水淡化等非电应用则是第四代核反应堆系统的主要应用目标。
　　未来核能的发展趋势之一是小型模块化反应堆(SMR)，其电功率通常为数十兆瓦到百兆瓦，SMR不仅建设周期短、布置灵活、适应性强、选址成本低，还可以节约资金成本并降低环境和金融风险。第四代核反应堆系统主要包括高温气冷堆(HTGR)、钠冷快中子反应堆(SFR，简称钠冷快堆)、熔盐堆(MSR)、超临界水冷反应堆(SCWR，简称超临界水堆)和铅冷快堆(LFR)，而颠覆传统设计的小型模块化第四代核反应堆因具有固有安全性高、核燃料可循环、物理防止核扩散和更优越的经济性等特点，成为核能研发和投资的热点。例如，美国和加拿大近年陆续成立了十几家新型核能公司，包括加拿大陆地能源公司(Terrestrial Energy)、美国泰拉能源公司(TerraPower)等，并且其已经开始与电力公司和国家研究机构合作，推进小型模块化第四代核反应堆的示范应用。
　　作为新一代先进核能系统，针对第四代核反应堆技术的发展，**届“第四代核能系统国际论坛”(Generation Ⅳ International Forum，GIF)于2002年提出了第四代核电的6种堆型和研究开发路线图。国际核能论坛(International Nuclear Energy Forum)于2012年11月在圣迭戈举办了第3届研讨会；“第四代核能系统国际论坛”于2014年11月在日本东京举办了第2届研讨会。GIF也与国际原子能机构(IAEA)保持着长期的合作关系。第11届GIF-IAEA革新型核反应堆和燃料循环国际项目(INPRO)对接会议于2017年2月在奥地利维也纳举行，议题涵盖了核能经济、安全、物理保护、防止扩散评估方法、通用先进反应堆技术信息交换等方面的合作，预计未来将扩展到其他领域，如先进反应堆的特殊安全要求、先进反应堆的未来市场条件/要求(如与可再生能源的整合)等。
　　1.2.2 钍基熔盐堆核能系统
　　钍基熔盐堆(TMSR)核能系统是第四代核反应堆系统6个候选之一，包括钍基核燃料、熔盐堆、核能综合利用3个子系统。钍基核燃料储量丰富、防扩散性能好、产生核废料更少，是解决长期能源供应的一种技术方案。熔盐堆分为液态燃料熔盐堆(MSR-LF)和固态燃料熔盐堆[MSR-SF，也称为氟盐冷却高温堆(FHR)]，使用高温熔盐作为冷却剂，具有高温、低压、高化学稳定性、高热容等热物特性，并且无须使用沉重而昂贵的压力容器，适合建成紧凑、轻量化和低成本的小型模块化反应堆；熔盐堆采用无水冷却技术，只需少量的水即可运行，可在干旱地区实现高效发电。熔盐堆输出的700℃以上高温核热可用于高效发电，同时由于其使用高化学稳定性和热稳定的无机熔盐作为传蓄热介质，非常适合长距离的热能传输，从而大幅度降低了对于核能综合利用的安全性顾虑，可以实现大规模的核能制氢，同时为合成氨等重要化工领域提供高品质的工艺热，进而有效缓解碳排放和环境污染问题[7]。
　　保证反应堆的安全可靠运行是核能发展中*重要的先行目标。作为第四代核反应堆系统，熔盐堆具有很高的固有安全性，堆内工作环境为近常压，极大地降低了主容器、堆内构件及安全壳等的承压需求，一些在水堆内发生的事故将可以得到避免，如大破口及双端断裂事故、管道破口导致的冷却剂闪蒸喷发现象等。熔盐的沸点高至1400℃左右，而熔岩堆堆内运行温度在700℃，安全阈值很高，当堆内温度超过设定值时，反应堆底部的冷冻塞会因过高温自动熔化，掺混了核燃料的熔盐流入应急储存罐与中子反应区分离，核反应随即终止。熔盐可作为反应堆的一层安全屏障，熔解滞留大部分裂变产物，特别是气态裂变产物(如137Cs、131I等)，熔盐化学稳定性高，不与其他物质发生作用，防止了新的衍生事故发生，可在很大程度上降低事故对环境的影响。熔盐堆可以在线后处理，是唯一能够高效利用钍的堆型，可灵活地进行多种方式的燃料循环，如一次利用、废物处理、燃料生产等，不需要特别处理，可直接利用铀、钍和钚等所有核燃料，也可利用其他反应堆的乏燃料。
　　1.3 核能综合利用研究现状
　　1.3.1 高效发电
　　针对堆内运行温度在700℃以上的第四代核反应堆系统，现阶段较为成熟的热功转换系统主要包括蒸汽轮机系统(基于兰金循环)以及闭式循环燃气轮机系统(基于闭式布雷顿循环)。根据工质的不同，闭式循环燃气轮机亦可分为氦气轮机、氮气轮机、超临界二氧化碳轮机及混合工质轮机等，不同热功转换系统效率对比如图1.2所示。从图1.2中可以看出，温度越高，循环热效率越高，相比较传统蒸汽循环，高温条件下的热循环发电系统能够更充分地利用700℃以上核能系统的高品质热量，实现高效发电。
　　图1.2 不同热功转换系统效率对比
　　蒸汽轮机系统技术发展历史已有百年以上，成熟度很高，但该系统较为庞大和复杂，在运行维护过程中需要不断补充循环水，因此在水源匮乏地区不适用。目前，火力发电常用的蒸汽轮机功率等级均在30万kW以上，多采用超临界及超超临界机组，温度范围538～610℃，压力范围24～32MPa，循环热效率41%～44%[8]。700℃超临界是蒸汽轮机现阶段发展的瓶颈，耐高温高压材料问题很难在短时间内突破且成本昂贵。
　　闭式循环燃气轮机系统特别适用于中高温热源，进而获得较高的热功转换效率，具有热源灵活、工质多样性的技术优势。相比蒸汽轮机，闭式循环燃气轮机功率密度大，因而尺寸小、投资少，另外由于可以少用水，在选址上具有很大的灵活性。20世纪中期，以空气为工质的闭式循环燃气轮机曾广泛应用于发电领域，技术成熟度较高。后来随着高温核能概念的兴起，氦气轮机受到了极大的重视，并完成了在非核领域的工业示范[9]。针对出口温度为700℃以上的第四代核反应堆系统，常用的工质闭式布雷顿循环燃气轮机性能比较如下：气体工质(氦气、氮气、空气或混合工质)闭式循环燃气轮机热效率可接近40%，超临界二氧化碳工质效率可接近50%。但从技术成熟度来看，超临界二氧化碳轮机目前还处于中试阶段，缺乏工业示范验证，而且其高温材料问题也是技术难点[10]。
　　1.3.2 核能制氢
　　基于第四代核反应堆的核能制氢技术提供了一种直接裂解水制氢的路线，避免了对化石能源煤和天然气的消耗，并且可以避免温室气体的排放。经济合作与发展组织(OECD)核能委员会(Nuclear Energy Agency，NEA)从2000年(巴黎)开始，连续在2003年[美国阿尔贡(Argonne)]、2005年[日本大洗(Oarai)]、2009年[美国奥克布鲁克(Oakbrook)]举办了一系列会议，会议聚焦核能制氢的研究方法和进展。
　　核能是清洁的一次能源，尤其是随着第四代核反应堆技术不断发展，如高温气冷堆、熔盐堆都可以产生700℃以上的高温热，利用其产生的高温工艺热通过核热辅助热化学循环、高温电解等技术制氢，其系统效率与反应堆能提供的热能温度有很大的相关性(图1.3)[11，12]，系统效率都随着反应堆出口温度的升高而增大；其系统效率显著高于常规的由热到电、再由电到氢的制氢系统效率。一般来说目前直接电解制氢系统效率约为25%，高温电解水蒸气制氢系统效率约为45%，直接热化学制氢的系统效率约为50%。更为重要的是，整个工艺减少甚至完全消除了温室气体的排放，随着碳税的出现，其未来在经济上也将具有很强的竞争力。
　　1. 核热辅助热化学循环制氢
　　核热辅助热化学循环制氢是通过水蒸气热裂解的高温热化学循环过程来制备氢气。在热化学循环过程中，只有水分解产生氢气和氧气，而其他参与的化学物质可回收利用。一