熱能溫度越高，其應用場景就越廣泛，有些工業部門所需的熱源溫度比LWRs(輕水堆)所能提供的溫度更高。僅化工行業就有大約10萬兆瓦的熱量需要。開發下一代高溫反應堆核電站的計劃就是基于這個市場。該計劃最終被取消，是因為壓裂法極大地降低了天然氣開采的成本，高溫反應堆顯然是生不逢時。然而，如果反應堆能夠提供高溫熱量，低碳經濟的目標將會使其重新煥發生機。高溫熱能還有兩個新興市場：調峰電力和氫氣生產。

 

調峰電力

 

歷史上，核反應堆主要用于基荷電力，這是由化石燃料的特點造成的。核電站具有高投資成本和低運營成本，而化石燃料電廠具有低投資成本和高運營成本。今天，這些化石燃料電廠采用燃氣輪機。風能和太陽能根據天氣情況向電網提供電力，與電力需求無關，不可調度。風力和太陽能的效果正在逐步顯現，比如加州，那里的上網電價已經下降了。

 

在加州等地，在太陽能和風能產量高的時候，上網電價會快速下跌，而在其他時候則會上漲。圖1顯示了加州2012年和2017年春季一天的電價。2012年的價格是由化石燃料發電廠制定的。2017年電價則受到了太陽能發電的影響，太陽能發電獲得了大量補貼。今天，燃氣輪機提供可調度的電力，以滿足調峰需求。

 

隨著碳減排，誰能取代燃氣輪機？

 

多個先進反應堆的開發商提出增加儲熱的方案，以使基荷反應堆能夠滿足調峰需求。這些反應堆包括TerraPower/GE日立核能公司聯合開發的鈉冷Natrium反應堆、Moltex MSR和Kairos Power KP-FHR。在這三種情況下，儲熱材料是硝酸鈉鉀鹽，這與集中式太陽能熱發電廠中使用的熔融鹽相同。反應器不直接連接到電源塊上。相反，反應器接收冷鹽，加熱后將其送至熱鹽儲罐。鹽循環是反應器和動力循環之間的中間循環。動力循環接收熱鹽并產生蒸汽，從而產生電力。

 

反應器的大小與平均電力需求相匹配。帶有蒸汽鍋爐和渦輪機的動力單元的大小與峰值電力需求相匹配。峰值電力輸出與反應堆的相對規模取決于當地的電力市場。例如，根據擁有大量海上風電的英國電網，Moltex反應堆的峰值功率輸出比反應堆輸出高三倍左右。該動力模塊可以比核反應堆更快地調整出力，因為輸入動力循環的熱量是由熱鹽泵速度控制的，而不是反應堆調整輸出功率。

 

動力循環可以比燃氣輪機更快地響應不斷變化的電力需求。實現在高電價的時候出售電力，達到收入最大化的目的。在這些帶儲能的電廠中有很大動力來降低投資成本，使其低于燃氣輪機的成本。動力單元是按照核電標準建造的，它不與反應堆相連接。電力循環的設計是為了最大限度地降低投資成本，因為動力裝置的能力系數可能是30%，而反應堆的能力系數是90%。如果有非常低價的電力，發電廠就會買電來加熱更多的硝酸鹽。如果高峰需求延長了很長一段時間，并且儲熱被耗盡，那么燃燒天然氣，或者是未來的氫氣或生物燃料，就能提供額外的熱量用來發電。最近的一次研討會詳細研究了核能的這種新設計。

 

高溫反應堆的使用大型冷熱儲罐中的熔融硝酸鹽進行儲熱。這種儲熱系統首先被用于聚光太陽能熱電站，原因有二。首先，陰天時，云層遮住太陽，電力輸出可能會波動十幾次，儲能提供了恒定的熱量。第二，最近，熔融鹽儲熱使太陽能發電廠在太陽下山后仍能發電。儲熱的投資成本是20-30美元/千瓦時，比電池或抽水蓄能低一個數量級。

 

同時，儲熱比電池或抽水蓄能更有效。美國能源信息署（EIA）報告說，公用事業部門的電池系統的平均電-電效率為82%，抽水蓄能為79%。真正的公用事業儲電系統效率明顯低于一般宣傳的儲能系統的效率。損失發生在多個能量轉換環節中。在電池中，交流電被轉換為直流電，然后給電池充電，電池向電網輸電時正好相反。

 

所有這些能量轉換過程都有效率損耗，在一個先進高溫核反應堆中，硝酸鹽始終存在于中間環節。熱流不像電流那樣從反應堆流向電力循環，在中間環路中增加儲熱并不涉及能量轉換及效率損失。

 

氫氣生產

 

第二個市場是制氫。現在每年消耗約1000萬噸工業氫氣。隨著碳減排的推進，未來氫氣可能會占消耗的總能源的20%以上。這個市場有三個部分，一是氫氣作為化工原料，沒有替代品，包括化肥生產和將原油煉化。未來，氫氣將可能取代煉鐵中的焦炭，替代將生物燃料轉化為汽油、柴油的轉化媒介。這些替代燃料不需要對發動機進行任何改裝就可是使用。二是取代天然氣，特別是對于小型用戶來說，帶有碳捕獲功能的化石燃料的價格過于昂貴，而電加熱的價格是天然氣的六倍左右。三是作為未來的運輸燃料，但問題是如何生產氫氣。在這個問題上，氫氣與電力不同。氫氣的存儲成本很低，可以使用天然氣存儲設施。我們將天然氣產量的20%儲存起來，以滿足冬季的高峰需求。沒有必要使氫氣的生產與需求在每秒甚至每月的基礎上相匹配，因為氫氣可以儲存。

 

一條管道可以運輸能量約幾十億瓦的氫氣，而輸電線路則僅限于幾千億瓦。然而，跨洲運輸氫氣比天然氣更昂貴，因為氫氣的體積能量密度比天然氣的小幾倍。這推動了區域氫氣生產系統的發展。今天，我們正在逐步建立氫氣儲存設施和管線，連接煉油廠、化工廠和水力發電設施。

 

核能在這個市場上有潛在的競爭力。氫氣可以通過電解水或蒸汽制取，高溫電解（HTE）是最有效的技術，核電站可以提供電力和蒸汽，這是核能提供氫氣與電解液態水的內在優勢。然而，氫氣工廠的電解池和壓縮機投資成本不菲。

 

如圖3所示，水力發電站的容量系數必須很高，以生產廉價的氫氣。HTE較高的效率和對高容量系數的要求為核反應堆與制氫廠的耦合提供了經濟優勢，相比之下，風能或太陽能的容量系數較低。核電站的容量系數約為90%，而風能接近40%，太陽能則接近25%。雖然這樣的系統可以使用LWRs，但更高溫度的先進反應堆有很大的經濟優勢。HTE系統的效率隨著高溫蒸汽的增加而增加。更高的發電效率意味著每單位的氫氣必須產生更少的熱量。

 

低碳氫氣生產的主要競爭者是帶有碳捕獲和封存（CCS）的天然氣蒸汽-甲烷重整，對于化石電廠來說，這是一個昂貴的工藝，因為從煙氣中分離二氧化碳的成本高昂。然而，有一些蒸汽-甲烷重整工藝可以產生相對純凈的二氧化碳廢氣。如果這些工廠有良好封存地，從天然氣中提取氫氣可能是經濟的。然而，橫貫大陸的氫氣運輸成本很高，這意味著這種氫氣可能會被限制在德克薩斯州等地，在那里成為像水電一樣的本地資源。氫氣另一個特征是，通過管道運輸20或30千兆瓦的氫氣在經濟上是可行的，這與天然氣管道的能源運輸規模相同。