氢气具有热值高,可储存,可运输,清洁无污染等优点,是未来大规模应用的潜在能源。世界上约4%的氢气来自电解水制氢,约96%的氢气来自化石燃料。其中,在化石燃料制氢中约48%的氢气来自甲烷蒸汽重整制氢。甲烷蒸汽重整制氢自20世纪20年代就已实现了工业化应用,具备成熟的制氢工艺和设施。传统的甲烷蒸汽重整制氢需要燃烧甲烷为重整器催化床内的甲烷蒸汽重整反应提供较高的重整温度。甲烷的燃烧降低了用于重整制氢的原料量。因此,寻找其他热源替代甲烷的燃烧进而为重整反应提供高温是有必要的。核能作为大规模使用的能源,具有高温,零碳排放的优势,为甲烷蒸汽重整制氢的热源提供了较优的选择。将冷却核反应堆的高温热替代传统甲烷蒸汽重整制氢中由甲烷和氧气的燃烧反应提供的热源,在同等的产氢量的工况下,能够节省30%的甲烷蒸汽重整制氢的原料。本文作者就利用核能热量进行甲烷蒸汽重整制氢的热工水力模型的计算及参数优化进行了研究。本文的主要研究内容如下:利用商业化软件对大型HTR-PM反应堆（2*250MW）耦合甲烷蒸汽重整制氢的热力学平衡性能进行了分析。通过建立球床模块式高温气冷却反应堆（HTR-PM）甲烷蒸汽重整制氢热平衡模型,求解并分析了HTR-PM反应堆作为热源的甲烷蒸汽重整制氢的热平衡性能,为工业化核能甲烷蒸汽重整制氢提供了参考依据。结果表明对于HTR-PM核能甲烷蒸汽重整制氢,当P=7 MPa,S=6,T=950℃时,最大的系统效率是63.44%,对应的产氢量为3.3 mol H2/mol CH4。验证了单摩尔甲烷产氢量随压力的增加逐渐降低,随水碳比和温度的增加逐渐增加（最大值小于4）。当温度为950℃,压力为7 MPa,水碳比从3增加到8时,单摩尔甲烷产氢量从2.907 mol增加到3.545mol。当水碳比为6,压力为7MPa,温度从350℃增加到1250℃时,单摩尔甲烷产氢量从0.21513 mol增加到3.44035 mol。利用商业化软件对核能甲烷蒸汽重整器建立了一维拟均相数学模型,并采用半耦合求解法对核能甲烷蒸汽重整器进行了求解和分析。研究了核能甲烷蒸汽重整器内轴向的温度分布;研究了氦气和原料气的入口参数对核能甲烷蒸汽重整器的甲烷转换率、一氧化碳转换率、系统效率和产氢量的影响。其中,入口参数包括原料气和氦气入口的压力、温度、水碳比以及流量。研究结果表明,单摩尔甲烷产氢量随原料气入口流量的增加而降低,随水碳比的增加而增加。但是,总产氢量随原料气入口流量的增加而增加,随水碳比的增加先增加后降低。重整器长度也是影响重整器性能的因素之一。验证了温度是影响重整器性能的主要因素,水碳比对系统效率和产氢量的影响比较复杂。利用商业化软件对核能甲烷蒸汽重整器进行了多变量参数敏感性分析;并利用商业化软件中的优化函数解决了核能甲烷蒸汽重整器的双目标和三目标优化问题。参数敏感性分析结果表明,为核能甲烷蒸汽重整器的运行工况提供了灵活的选择。研究结果表明,对于转换率和系统效率等制氢性能参数来说,氦气入口温度是最重要的影响参数,水碳比次之。对于总产氢量来说,原料气入口流量是最重要的影响参数,水碳比次之。对于催化管内的压力损失来说,原料气入口流量是最重要的影响参数,原料气入口压力次之。多目标优化结果表明,含有总产氢量的双目标优化结果与三目标优化结果接近。当氦气入口温度为950℃时,水碳比、原料气入口流量、氦气入口流量的约束条件分别为3-5、0.02-0.035 kg/s、0.04-0.055 kg/s时,优化得到的制氢性能分别为:87.5894%的甲烷转换率,63.2338%的系统热效率和4.32577 kmol/h的总产氢量。对应的优化工况分别为:3.82979的水碳比、0.05388 kg/s的氦气入口流量和0.034361kg/s的原料气入口流量。基于一维模型的计算结果,提出了建立核能甲烷蒸汽重整制氢性能数据库。利用建立的数据库编写了核能甲烷蒸汽重整器制氢性能的检索程序和核能甲烷蒸汽重整器设计参数的反求解程序。研究结果表明使用反求解程序检索得到的结果与使用程序直接计算得到的结果误差在0.2%以内。另外,使用商业化软件对核能甲烷蒸汽重整制氢热平衡分析模型和一维核能甲烷蒸汽重整器传热传质模型进行了GUI界面设计,并打包形成了核能甲烷蒸汽重整制氢热工水力模型的计算软件。最后,对全文进行了总结和展望。综上所述,当氦气入口温度较低时应尽可能增加氦气入口的流量。当总产氢量为重要的评价参数时,水碳比和原料气入口流量是重要的影响因素。重整器长度对催化管内的压力损失影响较大,但是在转换率及系统效率方面,重整器长度与氦气入口流量的影响因素相当。本文作者就核能甲烷蒸汽重整制氢性能进行了分析,关于核反应堆与制氢系统的耦合性以及系统的动态性能有待进一步研究。