内容简介
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
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
试读
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
