2022年9月至11月，東華能源與中國(guó)核電先后簽署《戰(zhàn)略合作協(xié)議》，并共同出資設(shè)立合資公司，推進(jìn)高溫氣冷堆項(xiàng)目，主攻第四代高溫氣冷堆核能制氫。本篇報(bào)告嘗試從高溫氣冷堆出發(fā)，解釋清楚究竟什么是核能制氫，東華能源未來的核能制氫戰(zhàn)略是怎樣的?

高溫氣冷堆屬于第四代核反應(yīng)堆，以氦氣作冷卻劑，以石墨作慢化劑核堆芯結(jié)構(gòu)材料，反應(yīng)堆堆芯氦氣出口溫度理論可達(dá)1000℃。高溫氣冷堆具備兩大特性：①固有安全性，指不依靠人為干預(yù)、僅僅利用自然規(guī)律使反應(yīng)堆自動(dòng)冷卻的安全特性;與目前主流的壓水堆不同的是，高溫氣冷堆用氦氣代替水作冷卻劑，用石墨代替水作慢化劑，用陶瓷包覆著的燃料球代替原先的燃料棒，三者在高溫下優(yōu)異的穩(wěn)定性使得高溫氣冷堆在物理原理上實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)安全。②高溫，相較于壓水堆約300℃的出口溫度，高溫氣冷堆800-1000℃的出口溫度可適用于制氫、熱電聯(lián)產(chǎn)、化工、冶金等需要高溫?zé)嵩吹念I(lǐng)域。

【資料圖】

高溫氣冷堆提供了制氫需要的熱源，其匹配的技術(shù)路線主要有兩條：固體氧化物電解水制氫(SOEC)和碘硫循環(huán)制氫。兩者相比，SOEC的商業(yè)化成熟度較高，技術(shù)路線明確，無需貴金屬材料，未來可以通過規(guī)模化實(shí)現(xiàn)降本，但瓶頸在于單堆功率較低，與核能的大規(guī)模工業(yè)制氫適配度較低。碘硫循環(huán)制氫的尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，初期投資成本大，但具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)性，與核能大規(guī)模工業(yè)制氫適配度高。放眼全球，美俄日韓等核電大國(guó)也均已啟動(dòng)本國(guó)的核能制氫工程。

在氫能源方面，東華能源目前擁有丙烷脫氫副產(chǎn)氫產(chǎn)能8.6萬噸，2021年副產(chǎn)氫銷量1.87萬噸，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)2.14億元。高溫氣冷堆項(xiàng)目預(yù)計(jì)將于2023年開工建設(shè)，建設(shè)期4年，2027 年正式投入使用。項(xiàng)目建成后，高溫氣冷堆提供的熱源：一方面可用于丙烷脫氫工藝(PDH需要在550-650℃的高溫下進(jìn)行)，降低脫氫成本;另一方面，可用于匹配SOEC或碘硫循環(huán)制氫路線，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)制綠氫。

風(fēng)險(xiǎn)提示：技術(shù)突破不及預(yù)期，降本進(jìn)度不及預(yù)期，產(chǎn)業(yè)政策不及預(yù)期

以下正文

1. 什么是高溫氣冷堆?高溫氣冷堆如何匹配制氫?

要理解高溫氣冷堆，抓住兩個(gè)關(guān)鍵詞：高溫、氣冷。①高溫，指的是第四代高溫氣冷堆可以輸出700℃-1000℃的高溫，傳統(tǒng)壓水堆出口只有300℃左右;②氣冷，指的是用氦氣對(duì)核反應(yīng)堆進(jìn)行冷卻，第二/三代核反應(yīng)堆絕大多數(shù)用水作冷卻劑。高溫氣冷堆匹配的制氫路線主要包括固體氧化物電解水制氫(SOEC)和碘硫循環(huán)制氫兩條路線。

1.1. 高溫氣冷堆的前世今生：誕生美國(guó)→成長(zhǎng)西德→落地中國(guó)

2001年，第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇(GIF)在美國(guó)召開，確定第四代核電反應(yīng)堆堆芯包括高溫氣冷堆、熔鹽堆、超臨界水堆、鈉冷快堆、鉛冷快堆以及氣冷快堆等6種堆型。相比前三代核反應(yīng)堆打補(bǔ)丁式的改進(jìn)，第四代堆從結(jié)構(gòu)反應(yīng)、材料應(yīng)用上都是全新的設(shè)計(jì)，在原理上實(shí)現(xiàn)更高安全性。

高溫氣冷堆的設(shè)計(jì)始于美國(guó)，工程化于西德，目前全球僅中國(guó)和日本擁有實(shí)際示范運(yùn)行的堆型。1943年，美國(guó)的Farrington Daniels在Oak Ridge實(shí)驗(yàn)室完成高溫氣冷堆的實(shí)驗(yàn);但直到1960年，由西德Schulten牽頭開始實(shí)際的工程設(shè)計(jì)與建設(shè)，1967年建成高溫氣冷反應(yīng)堆AVR并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，電功率15MW。

然而，1986年的切爾諾貝利事件使得西德政府對(duì)核電態(tài)度發(fā)生了轉(zhuǎn)折，高溫氣冷堆項(xiàng)目(AVR)受到了嚴(yán)格的監(jiān)督，研發(fā)進(jìn)度滯緩。1988年，由于燃料球外殼強(qiáng)度的缺陷，在處理卡在出口的燃料球時(shí)，外殼破裂，釋放了極少量的放射性塵埃，基于當(dāng)時(shí)社會(huì)對(duì)核電的緊張態(tài)度，AVR被迫關(guān)閉。實(shí)際上，Schulten已針對(duì)AVR的幾次事故做了改進(jìn)，準(zhǔn)備開建下一代高溫氣冷堆HTR-MODUL，但受此意外，其即將試產(chǎn)的新燃料球生產(chǎn)線也全部作廢。

中國(guó)在1970年代末就派出清華學(xué)者參加Schulten的團(tuán)隊(duì)，并且在團(tuán)隊(duì)解散后，買回了相關(guān)圖紙和執(zhí)照，帶回清華繼續(xù)研究。1995年中國(guó)版的HTR-MODUL(改稱HTR-10)在北京市昌平區(qū)的清華核研院內(nèi)開建，2000年首次臨界，2003年實(shí)現(xiàn)滿功率并網(wǎng)，電功率10MW。2012年，商業(yè)版的示范堆在山東榮成石港灣開建;2017年底，首個(gè)反應(yīng)堆模塊完成安裝;2021年9月，高溫氣冷堆示范電站首次臨界，12月首次并網(wǎng)發(fā)電。

1.2. 高溫氣冷堆：具備固有安全性和高溫特性

高溫氣冷堆以氦氣作為冷卻劑，以石墨作為慢化劑與堆芯結(jié)構(gòu)材料，反應(yīng)堆堆芯氦氣出口溫度理論可達(dá)950-1000℃，二回路水蒸氣出口溫度可以達(dá)到700℃以上(目前石港灣高溫氣冷堆實(shí)際氦氣出口溫度為750℃、二回路水蒸氣出口溫度566℃)。其核反應(yīng)原理和三代壓水堆區(qū)別不大，本質(zhì)上都是將核裂變產(chǎn)生的熱能通過冷卻劑導(dǎo)出并加以利用變成電能等其他能源形式，但是在燃料球設(shè)計(jì)、冷卻劑以及慢化劑等核心材料上做了優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)固有安全性和高溫兩大突出特點(diǎn)。

一是固有安全性，從理論上杜絕了核電站的最大安全隱患，即堆芯熔化。

固有安全性，是指不依靠人為干預(yù)、僅僅利用自然規(guī)律使反應(yīng)堆自動(dòng)冷卻的安全特性。目前常見的二、三代核電站主要依靠電力等能動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，或加裝應(yīng)急非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)(如高處的蓄水池可利用重力進(jìn)行應(yīng)急冷卻)，但仍無法根除堆芯熔融的可能性;當(dāng)外界因素的影響大于本身應(yīng)急能力，如福島核電站(二代沸水堆)因?yàn)榈卣鸷秃[的雙重作用導(dǎo)致所有供電喪失，在應(yīng)急冷卻系統(tǒng)斷電、搶修人員難以抵達(dá)的情況下，堆芯余熱無法散去，會(huì)導(dǎo)致堆芯熔融，放射性元素外泄。

①燃料球設(shè)計(jì)，將鈾燃料層層包裹以保證在高溫下不會(huì)發(fā)生外泄。高溫氣冷堆的球形燃料元件采用TRISO(tristructural-isotropic)四層包覆技術(shù)，以二氧化鈾為核心，外圈為四層全包覆陶瓷材料陶瓷材料能夠耐受1600℃的高溫，石墨基體在高溫下也有非常好的化學(xué)惰性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使得燃料球可以承受極高的溫度。

②采用氦氣作冷卻劑、石墨作慢化劑。氮?dú)庾鳛槎栊詺怏w，性質(zhì)穩(wěn)定不會(huì)爆炸，且腐蝕性和放射吸收性均為零;石墨作慢化劑，熔點(diǎn)高達(dá)2800℃，熱穩(wěn)定性好。根據(jù)核反應(yīng)原理，裂變產(chǎn)生的快中子在與石墨碰撞后被慢化，成為熱中子，有更大幾率與鈾235反應(yīng)，熱中子與鈾235的反應(yīng)截面(即反應(yīng)幾率)會(huì)隨著溫度的上升而減小，當(dāng)堆芯溫度逐漸升高到1600℃后，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)基本就停止了，這時(shí)即使鈾燃料融化，球形燃料原件外部包覆的陶瓷材料和氦氣、石墨等完全可以忍耐溫度極值，在物理原理上實(shí)現(xiàn)了固有安全性。

二是可產(chǎn)生800-1000℃的高溫，適用于制氫、熱電聯(lián)產(chǎn)、化工、冶金等需要高溫?zé)嵩吹念I(lǐng)域。由于堆內(nèi)核燃料和冷卻劑、慢化劑等材料均采用耐高溫材料以及其使用氣體作為冷卻劑的特性，高溫氣冷堆的工作溫度和冷卻劑的堆芯出口溫度可以達(dá)到其它堆型難以企及的高度—800～1000℃。對(duì)比壓水堆，慢化劑和冷卻劑都是普通水，水的臨界溫度為374.3℃，超過這一溫度就不存在液態(tài)水了，而一回路的水需要保持液態(tài)不沸騰，因而限制了水冷堆的最高出口溫度。

截至2021年底，我國(guó)大陸地區(qū)共有23座核電站，在建和運(yùn)行核電機(jī)組71臺(tái)(在運(yùn)行機(jī)組52臺(tái))，全部分布在沿海地區(qū)。由于2011年福島核電站事故影響，國(guó)內(nèi)對(duì)核電站建設(shè)一度相當(dāng)謹(jǐn)慎，自2019年后開始有回升，2022年1-9月，已核準(zhǔn)新機(jī)組達(dá)10臺(tái)(均為第三代壓水堆)。全球已正式投入運(yùn)行的高溫氣冷堆僅有兩座，分別位于中國(guó)山東省榮成市、日本茨城縣大洗町。

1.3. 高溫氣冷堆匹配的制氫路線：SOEC or 碘硫循環(huán)制氫

高溫氣冷堆提供了制氫需要的熱源，其匹配的技術(shù)路線主要有兩條：固體氧化物電解水制氫(SOEC)和碘硫循環(huán)制氫。兩者相比，SOEC的商業(yè)化成熟度較高，技術(shù)路線明確，無需貴金屬材料，未來可以通過規(guī)?；瘜?shí)現(xiàn)降本，但瓶頸在于單堆功率較低，和核能的大規(guī)模工業(yè)制氫適配度較低。碘硫循環(huán)制氫尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，初期投資成本大，但具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)性，與核能大規(guī)模工業(yè)制氫匹配度高。

匹配制氫路線一：高溫固體氧化物電解水制氫(SOEC)

SOEC為全固態(tài)結(jié)構(gòu)，由陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)組成，從技術(shù)原理可分為氧離子傳導(dǎo)型SOEC和質(zhì)子傳導(dǎo)型SOEC，從結(jié)構(gòu)類型可分為平板式和管式。以目前常用的氧離子傳導(dǎo)型平板式SOEC為例，700-1000℃的水蒸氣和循環(huán)氫氣從陰極進(jìn)入系統(tǒng)，在陰極發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，同時(shí)生成的氧負(fù)離子會(huì)經(jīng)由固體電解質(zhì)遷移到陽(yáng)極，失電子結(jié)合生成氧氣。

SOEC的電解效率高、能耗低，可通過大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化顯著降低設(shè)備成本;但同時(shí)冷熱啟動(dòng)慢，對(duì)外界負(fù)載波動(dòng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，不適用于大規(guī)模風(fēng)光制氫的氫儲(chǔ)能系統(tǒng)，并存在電解池長(zhǎng)期運(yùn)行過程中的性能衰減、電解池的高溫連接密封、大規(guī)模制氫系統(tǒng)集成等問題。目前SOEC電解設(shè)備的總體產(chǎn)業(yè)化程度不高，推出的商業(yè)化產(chǎn)品較少：國(guó)外的SOEC設(shè)備生產(chǎn)廠商主要有德國(guó)的Sunfire、丹麥Topsoe和美國(guó)Bloom Energy;國(guó)內(nèi)的SOEC設(shè)備企業(yè)約十家左右，主要包括潮州三環(huán)、寧波索福人、北京質(zhì)子動(dòng)力等。

匹配制氫路線二：碘硫循環(huán)制氫

碘硫循環(huán)制氫主要分3步，反應(yīng)的凈結(jié)果為水分解生成氫氣和氧氣：①本生反應(yīng)：I2+SO2+2H20=H2SO4+2HI,常溫進(jìn)行，生成混合的H2SO4和HI;②碘化氫分解：2HI=H2+I2,500℃左右進(jìn)行，需要催化劑;③硫酸分解：2H2SO4=2SO2+2H2O+O2，H2SO4經(jīng)過濃縮后在850℃左右催化分解，得到最初的反應(yīng)物，完成閉合循環(huán)。碘硫循環(huán)制氫的特點(diǎn)：①成本低，不需要用貴金屬催化劑;②具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)性，全流體過程易于規(guī)模的擴(kuò)大和實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。目前產(chǎn)業(yè)化程度較低，還處于實(shí)驗(yàn)室階段。

1.4. 全球趨勢(shì)：美俄日韓的核能制氫路線選擇

美俄日韓等核電大國(guó)均已啟動(dòng)本國(guó)的核能制氫工程：①俄羅斯計(jì)劃在2033年前推出俄羅斯首座制氫核站，2036年前投入工業(yè)運(yùn)行，進(jìn)行高溫氣冷堆核能制氫。②美國(guó)采取“碘硫循環(huán)+SOEC”的制氫路線，在目前的實(shí)驗(yàn)室高溫模擬環(huán)境下，已經(jīng)能夠通過加入催化劑降低碘硫循環(huán)核心步驟“硫酸分解”反應(yīng)所需高溫;SOEC路線計(jì)劃與現(xiàn)有的三代核電堆匹配推進(jìn)商業(yè)化進(jìn)程。③韓國(guó)斗山集團(tuán)在2022年1月，啟動(dòng)壓水堆高溫蒸汽匹配“SOEC”制氫項(xiàng)目。④日本三菱重工宣布在2022年內(nèi)啟動(dòng)高溫氣冷堆匹配“碘硫循環(huán)+SOEC”制氫的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，計(jì)劃2030年-2035年達(dá)到實(shí)用化。

2. 東華能源聯(lián)手中國(guó)核電，布局核能制氫大戰(zhàn)略

2022年9月，東華能源公告與中國(guó)核電簽署《戰(zhàn)略合作協(xié)議》，雙方共同推進(jìn)高溫氣冷堆項(xiàng)目，未來五年內(nèi)預(yù)計(jì)投資超千億元，共同打造零碳產(chǎn)業(yè)園。2022年11月，東華能源公告擬與中國(guó)核電共同出資設(shè)立茂名綠能，分別持股49%和51%，進(jìn)一步推進(jìn)高溫氣冷堆項(xiàng)目。

東華能源從LPG(液化石油氣，主要組分包括丙烷、丁烷)貿(mào)易起家，2011年開始向丙烷脫氫制丙烯(PDH)轉(zhuǎn)型，并逐步確立起聚丙烯高端復(fù)合新材料和氫能源兩大戰(zhàn)略發(fā)展方向。在氫能源方面，公司擁有寧波、茂名、張家港三個(gè)生產(chǎn)基地，現(xiàn)有副產(chǎn)氫產(chǎn)能8.6萬噸(寧波5.7萬噸、張家港2.9萬噸)，2021年副產(chǎn)氫銷量1.872萬噸，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)2.14億元。公司目前規(guī)劃建設(shè)茂名基地兩套60萬噸PDH裝置，若全部投產(chǎn)，預(yù)計(jì)副產(chǎn)氫產(chǎn)能將達(dá)到14.3萬噸。

東華能源將依托現(xiàn)有的丙烷脫氫副產(chǎn)氫業(yè)務(wù)，進(jìn)一步向核能制綠氫轉(zhuǎn)型。此次東華能源與中國(guó)核電共同推進(jìn)的高溫氣冷堆項(xiàng)目將落地在東華能源廣東茂名基地，項(xiàng)目預(yù)計(jì)將于2023年開工建設(shè)，建設(shè)期4年，2027 年正式投入使用。項(xiàng)目建成后，高溫氣冷堆提供的熱源：一方面可用于丙烷脫氫工藝(PDH需要在550-650℃的高溫下進(jìn)行)，降低脫氫成本;另一方面，可用于匹配SOEC或碘硫循環(huán)制氫路線，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)制綠氫。