在核電設(shè)施中，天然氣轉(zhuǎn)化為氫氣需要820-850℃左右的高溫，只有具備氣體冷卻劑的高溫核反應(yīng)堆才能滿足該條件。一些國家正在研制這種反應(yīng)堆，但至今尚未達(dá)到工業(yè)化水平。采用鈉冷卻劑的BN-600和BN-800的商用快中子反應(yīng)堆已在俄羅斯成功運(yùn)行 。這兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，堆芯一次冷卻回路輸出的液態(tài)鈉溫度不超過550℃。目前，BN系列僅用于發(fā)電。一旦解決了其他技術(shù)和商業(yè)問題，在不久的將來，似乎有可能將其用于工業(yè)制氫。然而，由于現(xiàn)有技術(shù)下鈉反應(yīng)器中冷卻劑溫度范圍的限制，該技術(shù)尚不能用于天然氣+水蒸氣制氫。
本文提出基于BN系列反應(yīng)器，用一臺(tái)蒸汽發(fā)生器輸出的中溫水蒸氣，送至鄰近的化學(xué)反應(yīng)器，將蒸汽與外部提供的天然氣混合，隨后利用電能將汽-氣混合物加熱至反應(yīng)溫度。BN-600動(dòng)力裝置每年運(yùn)行280天，如果在這段時(shí)間內(nèi)，BN-600反應(yīng)器中的水蒸氣和天然氣以每秒10立方米左右的流量供應(yīng)給化工轉(zhuǎn)爐反應(yīng)器，考慮到損耗，每年可生產(chǎn)多達(dá)5億立方米的氫氣。同時(shí)，在現(xiàn)有工業(yè)甲烷轉(zhuǎn)化技術(shù)框架下，天然氣燃燒產(chǎn)生蒸汽和加熱氣-汽混合物過程中向大氣中排放的二氧化碳量也將減少。計(jì)算結(jié)果表明，這樣可以減少13萬噸二氧化碳排放，相當(dāng)于俄羅斯每年向大氣中排放二氧化碳的約0.01%。
然而，擬議的氫氣生產(chǎn)方案設(shè)想對(duì)BN-600和BN-800發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)進(jìn)行改造，包括將其中一個(gè)蒸汽發(fā)生器中的水蒸氣引至化學(xué)轉(zhuǎn)化器。但是，未來10年BN系列主要仍以發(fā)電為主，制氫與這一目的相矛盾。
因此，還考慮了另一個(gè)實(shí)用的、更有吸引力的替代方案：只消耗BN-600、BN-800動(dòng)力裝置和Beloyarskaya核電站夜間或夏季低負(fù)荷時(shí)段的電力，在化學(xué)轉(zhuǎn)爐反應(yīng)器中生產(chǎn)氫氣。
目前，BN-600和BN-800發(fā)電機(jī)組僅用于基礎(chǔ)負(fù)荷，還不能滿足區(qū)域電網(wǎng)的要求。因此，在變負(fù)荷調(diào)度的條件下，應(yīng)考慮在現(xiàn)場(chǎng)裝置中使用“額外”的電能，以保證核電動(dòng)力裝置的可操縱性，更好地滿足區(qū)域電網(wǎng)的條件和要求。在這種情況下，在現(xiàn)場(chǎng)裝置中，當(dāng)向其提供天然氣時(shí)，可以生產(chǎn)出氫氣，滿足工業(yè)和運(yùn)輸?shù)男枰?，也可以滿足核電站對(duì)燃料的需要。
20世紀(jì)80-90年代，德國在EVA II裝置開展了使用電力將甲烷轉(zhuǎn)化為合成氣的實(shí)踐。EVA Ⅱ裝置由30個(gè)相同的模塊組成，每個(gè)模塊都是一個(gè)高11.4米、直徑12厘米的轉(zhuǎn)化塔。甲烷和水蒸氣的混合物注入塔的上部，沿塔體從上向下，經(jīng)過600-820℃的塔體，經(jīng)催化劑轉(zhuǎn)化為合成氣后排出。對(duì)轉(zhuǎn)化塔的加熱是通過950℃、40atm、質(zhì)量流量4kg/s的氦氣流吹氣。氦氣在一個(gè)封閉的回路中循環(huán)，將10兆瓦的電加熱器中產(chǎn)生的熱量傳遞給轉(zhuǎn)化塔的金屬外殼。系統(tǒng)中甲烷的消耗量為0.6kg/s，合成氣產(chǎn)量為1.234kg/s。
基于上述數(shù)據(jù)，要滿足BN-600動(dòng)力裝置在夜間制取合成氣所需的“額外”功率(即基本功率(120MW)的20%左右)最多需要360個(gè)類似于EVA II的轉(zhuǎn)化塔。為了加熱7.2kg/s的甲烷-水蒸氣混合物，需要48kg/s的熱氦氣流。同時(shí)，合成氣的產(chǎn)量可達(dá)14.8kg/s，氫氣的產(chǎn)量可達(dá)1.7kg/s。
在BN-600和BN-800動(dòng)力裝置的基礎(chǔ)上，通過甲烷和蒸汽轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氫氣，成為俄羅斯制氫的主要技術(shù)路線之一。據(jù)估計(jì)，現(xiàn)在全世界每年生產(chǎn)的氫氣高達(dá)5000億立方米。Beloyarskaya核電站年產(chǎn)氫量可達(dá)到約1億立方米，約占全球年產(chǎn)氫量的0.02%。由此產(chǎn)生的氫氣可用于工業(yè)和運(yùn)輸?shù)男枰?，也可用于核電站的需要。同時(shí)，生產(chǎn)1立方米氫氣所需的天然氣和電力的單位成本將不超過2美元。
在俄羅斯，大規(guī)模氫氣需求來自化工和冶金工業(yè)。在歐洲、美國和日本，自本世紀(jì)初以來，部分公路運(yùn)輸已呈現(xiàn)出氫能驅(qū)動(dòng)的趨勢(shì)。在這方面，氫氣呈現(xiàn)出廣闊的出口前景。使用煤炭和烴類燃料產(chǎn)生的二氧化碳等溫室氣體(GHG)排放量最大。逐步減少含碳燃料使用，用氫燃料深度替代碳燃料，是氫能生態(tài)概念的基礎(chǔ)。
根據(jù)國際能源署(IEA)的數(shù)據(jù)，自1971年以來，全球核電站排放了560億噸二氧化碳。氫氣被認(rèn)為是理想的清潔能源載體。其在釋放和儲(chǔ)存能量時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體。但是，其熱值很小，約為烴燃料熱值的一半。
在自然界中，游離狀態(tài)的氫幾乎不存在。氫氣的生產(chǎn)需要使用一次能源。這些生產(chǎn)方法大多是利用熱能或電能分解水分子。水的分解需要123兆焦才能產(chǎn)生1千克氫氣，同時(shí)需要2500℃以上的極端溫度。為了降低水熱解溫度，科學(xué)家正在研究高溫電解和其他可行技術(shù)。
熱化學(xué)循環(huán)通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，生成氫氣和其他一些副產(chǎn)物。著名的蒸汽甲烷重整是熱化學(xué)循環(huán)的典型例子。分裂水和甲烷所需要輸入的能量要少得多，約206kJ能產(chǎn)生6g氫氣。能量以熱的形式提供，一般為820-850℃。核氫的生產(chǎn)將集中在非化石制氫上。
在俄羅斯，每年生產(chǎn)的氫氣多達(dá)2萬噸，主要滿足石油(每天不超過20噸)、機(jī)械制造和金屬加工(每天不超過20噸)和其他需要(每天不超過10噸)。作為主要技術(shù)，采用在水生環(huán)境中把甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣。在這種情況下，生產(chǎn)1公斤氫氣的同時(shí)，會(huì)向大氣中釋放2.27公斤二氧化碳。因此，與氫氣生產(chǎn)有關(guān)的年度溫室氣體排放總量將超過40,000噸。
