《International Journal of Hydrogen Energy》：Probabilistic risk assessment of nuclear power plant integrated hydrogen generation: A comprehensive literature review of methods, models, and data sources
编辑推荐：
本文系统综述了核能制氢系统的安全性与可靠性研究，涵盖氢生产方法、潜在失效模式、主要风险及缓解策略，分析指出氢泄漏、爆炸及存储失效是主要风险，需通过隔离系统、安全仪表系统及地下存储等措施降低风险，并强调未来需加强大规模示范、部件可靠性数据库及输氢管道系统的研究。
Afzal Ahmed Soomro|Belal Almomani|Malak Gherbi|Afaque Shams|Safyan Akram Khan
沙特阿拉伯达兰KFUPM的工业核能跨学科研究中心（IRC-INE），邮编31261
摘要
将核能与氢气生产相结合可能是减少高碳排放行业的有效方法。然而，将氢气生产与核电站集成会引发安全问题，必须谨慎处理这些问题以确保系统的安全运行。本文综述了二十年来关于核能氢气生产方法的安全性和可靠性的研究成果。尽管这一领域的研究很重要，但目前仍较为有限。本文探讨了四个关键问题：（1）利用核能生产氢气的各种方法；（2）每种方法可能出现的故障类型；（3）主要风险；（4）降低这些风险的最佳措施。该系统的主要风险包括氢气泄漏、超压事件、云积聚引发爆炸以及缓冲罐故障。次要风险包括高浓度氢气、腐蚀性物质、材料损坏、地震影响以及传感器和控制系统故障。风险缓解措施包括为关键设备配备备用系统、安全仪表系统（SIS）、泄漏检测系统、关闭系统，以及将氢气储存在地下或远离生产场所的地方。
引言
氢气作为一种低碳且可行的能源存储和运输方式正迅速进入市场，其能量密度约为120 MJ/kg[1]，在燃料电池中仅产生水。例如，在交通运输（现代NEXO和丰田Mirai车型适用于长途和重型运输[2]）、发电（西门子和通用电气（GE）生产的氢基涡轮机排放量更低）以及航空领域（H2FLY和ZeroAvia正在开发氢动力飞机以替代化石燃料[3]），氢气被认为是一种灵活且可持续的选择[4]。氢气可以通过多种方式实现小规模和大规模的能量存储。日本福冈的一项试点研究表明，整个城市可以使用氢气运行，这对氢能经济（HE）至关重要[5]。世界各国（如美国、阿拉伯联合酋长国、日本、瑞典、英国、加拿大和法国）都在积极研究基于核能的氢气生产技术，沙特阿拉伯也表现出极大的兴趣[6]。为了支持这些努力，国际原子能机构（IAEA）提供了多种核能氢生产相关资源[6]。日本原子能机构（JAEA）[7]也在继续研究高温工程试验反应堆（HTTR）的核能氢生产设计、建造和安全问题[8]。JAEA的最新研究成果见参考文献[8]。基于HTTR的经验，JAEA启动了HTTR热应用测试项目，旨在建立连接核反应堆和氢气生产厂的耦合技术，利用核热生产氢气[9]。氢气的另一个优势是其不断扩大的全球市场，预计市场规模将达到1547.4亿美元[10]。氢气产业现有的生产、储存、运输和利用基础设施为市场增长奠定了坚实基础。对于成功的氢能经济而言，安全性和可靠性至关重要；因此需要制定标准来确保技术的安全性。由于氢能技术仍处于发展阶段，仍面临诸多挑战（如初期故障率较高[11]）。1937年的兴登堡号灾难和2011年的福岛核电站爆炸等事件加剧了公众的担忧[12]。即使是小规模的氢气事故也可能对社会的发展和接受度产生负面影响。因此，通过系统的可靠和安全运行建立公众信任至关重要[13]。因此，加快氢气生产和储存技术的发展需要重视可靠性和安全性。本文讨论了维持安全可靠运行所需的研究需求和差距，并分析了核能氢生产风险与可靠性评估的最新进展，指出了相关方法、潜在故障模式、主要风险、缓解策略及可用数据来源。
介绍
氢气作为一种低碳能源，正迅速成为能源存储和运输的选择，其能量密度约为120 MJ/kg[1]，在燃料电池中仅产生水。在交通运输（如现代NEXO和丰田Mirai）、发电（西门子和通用电气的氢基涡轮机）以及航空（H2FLY和ZeroAvia的氢动力飞机）等领域，氢气显示出广阔的应用前景。氢气可以通过多种方式实现小规模和大规模的能量存储。日本福冈的试点研究表明，整个城市使用氢气运行对氢能经济至关重要[5]。世界各国（如美国、阿拉伯联合酋长国、日本、瑞典、英国、加拿大和法国）都在积极研究基于核能的氢气生产技术，沙特阿拉伯也表现出浓厚兴趣[6]。国际原子能机构（IAEA）为核能氢生产提供了各种支持[6]。日本原子能机构（JAEA）[7]也在继续研究高温工程试验反应堆（HTTR）的核能氢生产相关技术。JAEA的最新成果见参考文献[8]。基于HTTR的经验，JAEA启动了HTTR热应用测试项目，旨在开发连接核反应堆和氢气生产厂的耦合技术[9]。氢气的另一个优势是其不断扩大的全球市场，预计市场规模将达到1547.4亿美元[10]。氢气产业已具备成熟的生产、储存、运输和利用基础设施，为市场增长提供了坚实基础。对于成功的氢能经济而言，安全性和可靠性至关重要；因此需要制定相关标准。由于氢能技术仍处于发展阶段，仍面临诸多挑战。公众对氢气的担忧在重大事故后尤为明显（如1937年的兴登堡号灾难和2011年的福岛核电站爆炸[12]。氢气技术的进步、应用和社会接受度可能受到此类事件的影响。因此，通过系统的可靠和安全运行建立公众信任至关重要[13]。因此，加快氢气生产和储存技术的发展需要重视可靠性和安全性。本文讨论了维持安全可靠运行所需的研究需求和差距，并分析了核能氢生产风险与可靠性评估的最新进展。
部分章节内容
概率风险评估方法
核能氢能发电厂的概率风险评估（PRA）的主要目的是满足许可要求。这些评估确保安全问题得到充分解决，从而加快许可证发放流程[26]。Det Norske Veritas（DNV）[27]和Sandia国家实验室提出了针对氢能发电厂的PRA方法[27]，具体内容见相关文档。故障树分析（FTA）和故障模式与效应分析（FEA）也是常用的评估方法。
软件和工具
已开发出多种专门用于氢气风险评估的软件程序。以下部分详细介绍了行业中最常用的软件。
文献计量分析
本研究分析了收集到的研究文章在以下方面的分布情况：（1）发表日期；（2）发表期刊；（3）发表地点；（4）文章作者；（5）文章所属机构。搜索标准如下：使用SCOPUS数据库，时间范围为2005年至2025年。
最新综述文章
本节回顾了关于核能氢生产风险和可靠性的最新研究成果。首先，在5.1节中，对最新综述文章进行了分析；其次，在5.2节中，对技术性或原创性文章进行了详细审查和分析。
数据来源
风险与可靠性模型的构建基于多种数据来源，包括实验数据集、法规指令和公认的工程模型。组件故障率数据来源于NSWC机械设备可靠性手册[32]、Cadwallader[69]和HyRAM/Sandia的可靠性数据集，以及Gerbec（2008年）的PEM相关数据和Rosemount、IEEE Gold等工业数据源。
分析与讨论
二十年来关于核能集成氢生产的研究表明，热化学循环（Cu–Cl、IS、SMR）和高温电解系统（HTES）中常见的风险包括氢气泄漏、爆炸和储存故障。这些风险主要集中在阀门、换热器、压缩机和传感器等设备上。高压氢气储存是所有设计中的主要安全隐患，尤其是在规模达到1000 MW的IS-VHTR和电解设施中。
建议
参考文献[45]、[46]、[47]、[52]、[58]建议限制现场氢气库存，因为氢气泄漏、爆炸和超压可能对核电站构成威胁。参考文献[7]、[46]、[51]还建议在核电站和氢气生产厂之间保持足够的距离。此外，建议采用高完整性隔离和关闭系统。
结论
二十多年的研究、风险评估和可靠性评估表明，氢气相关问题（如泄漏、爆炸、储存故障和材料退化）是核能氢生产的主要风险，而非核反应堆本身的问题。尽管评估方法不同（如FMEA、故障树分析、PSA、CFD后果建模和半经验性爆炸模型），但研究结果在某些关键方面是一致的。
未来发展方向
尽管已有全面的文献综述和多方面的研究，作者认为仍有改进空间。未来的核能氢生产研究应更加关注安全性评估方法，特别是在系统从概念研究向实际应用过渡的过程中。需要提高氢气相关可靠性和故障数据的可用性。
CRediT作者贡献声明
Afzal Ahmed Soomro：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论研究、调查、形式分析、概念构思。Belal Almomani：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、项目管理、概念构思。Malak Gherbi：撰写——审稿与编辑。Afaque Shams：撰写——审稿与编辑、调查。Safyan Akram Khan：撰写——审稿与编辑、调查。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了沙特阿拉伯达兰KFUPM的工业核能跨学科研究中心（IRC-INE）的支持，研究资助编号为INNE2407。
