JP2002241101A - 原子炉を利用した水素発生システム及び方法 - Google Patents
原子炉を利用した水素発生システム及び方法Info
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Abstract
囲で効率的に運転するのに十分な量の熱を低コストで供
給するシステムの提供。 【解決手段】 水素発生システム(10)は、非放射性
二次熱ループ(14)を有する液体金属原子炉(1
2)、二次熱ループと連結した蒸気発生器(16)、高
温水分解装置(18)及びトッピングヒータ(20)を
含んでなる。原子炉で発生した熱を用いて、分解装置用
の給水(30)の温度を約450℃〜約550℃に上昇
させる。トッピングヒータで給水の温度を450℃〜5
50℃の範囲から850℃以上に上昇させ、水素と酸素
を生成する分解装置の効率的運転を可能にする。
Description
らに具体的には水分解装置での水素発生のためのエネル
ギーの供給に液体金属原子炉を利用することに関する。
す手段として水素燃料電池を動力源とする電気自動車が
考えられている。しかし、かかる自動車に用いられる水
素は典型的には、温室効果ガスを発生する炭素系原料を
用いて製造される。例えば、CO+H 2OをCO2+H2
に転化すると、このプロセスの廃棄副生物としてCO2
を生じる。CO2は環境への温室効果に寄与する物質の
一つであることが知られている。
エネルギーが必要とされる。効率的に機能させるため水
分解プロセスは約850℃〜950℃の範囲の非常に高
い温度で運転されるからである。原子炉は水分解システ
ム用の低コストの熱源と考えられてきた。しかし、原子
炉は、かかる水分解システムの効率的運転に必要な高温
では運転されない。液体金属冷却式原子炉の運転温度は
約550℃、軽水炉の運転温度は約285℃であり、い
ずれも効率的水分解システムに必要とされる850℃〜
950℃よりも格段に低い。
50℃〜950℃で効率的に運転するのに十分な量の熱
を低コストで供給するシステムを提供できれば望まし
い。
水素発生システムは、非放射性二次熱ループを有する液
体金属原子炉、二次熱ループと連結した蒸気発生器、高
温水分解装置及びトッピングヒータを含んでなる。
の給水の温度を約450℃〜約550℃に上昇させる。
トッピングヒータで給水温度を450℃〜550℃の範
囲から850℃以上に上昇させ、水素と酸素を生成する
分解装置の効率的運転を可能にする。さらに、トッピン
グヒータは、給水を水素と酸素に解離するのに必要な熱
エネルギーを供給する。
燃焼ヒータである。高温水分解装置で発生した酸素と水
素の一部をトッピングヒータで燃料として使用する。ガ
ス燃焼トッピングヒータからの排気を再生式熱交換器に
送る。再生式熱交換器は給水供給ラインに配置され、蒸
気発生器とトッピングヒータの間に位置する。ガス燃焼
トッピングヒータからの排気を次に第二再生式熱交換器
に送り、蒸気発生器で水蒸気へと転換された給水の一部
の温度をこの第二再生式熱交換器を用いて上昇させてか
ら発電用蒸気タービン・発電機アセンブリに送る。
れる液体金属原子炉及びトッピングヒータを利用するこ
とによって、水分解装置の効率的運転に十分な量の熱を
低コストで発生する。トッピングヒータは、原子炉の発
熱によって生じる水蒸気の温度を所望の分解装置運転温
度へと上昇させる。
る水素発生システム10の線図である。このシステム1
0は、原子炉12から熱を抽出する非放射性二次熱ルー
プ14を有する液体金属原子炉12、二次熱ループ14
と連結した蒸気発生器16、高温水分解装置18及びト
ッピングヒータ20を含んでなる。
号及び同第5158471号に記載の原子炉のような公
知のどんな液体金属原子炉であってもよい。二次ループ
14は原子炉12内の中間熱交換器22と連結してい
る。二次ループ14はホットレグ24とコールドレグ2
6を含む。二次ループ14は、熱を中間熱交換器22か
ら蒸気発生器16に伝達するためのヘリウムや液体金属
(ナトリウムなど)のような熱伝達媒体を含んでいる。
中間熱交換器22で加熱された熱伝達媒体はホットレグ
24を経て蒸気発生器16に流れ、そこで熱を利用して
水蒸気を発生し、それに伴い熱伝達媒体の温度は低下す
る。熱伝達媒体は次いでコールドレグ26を通って中間
熱交換器22に戻る。熱伝達媒体は循環ポンプ28によ
って二次ループ14内を流れる。中間熱交換器22を出
る熱伝達媒体の温度は約450℃〜約550℃である。
給水ライン32によって蒸気発生器16と連結してい
る。給水源30は、例えば水体、脱塩プラント、浄水シ
ステム、蒸気タービン復水器又はこれらの組合せとし得
る。給水源30からの水を蒸気発生器16で加熱して水
蒸気に変換する。蒸気発生器16で加熱された給水つま
り水蒸気の一部は分解装置18に送られ、水蒸気の一部
は蒸気タービン・発電機アセンブリ34に送られる。復
水器36が蒸気タービン・発電機アセンブリ34と連結
している。蒸気タービン34からの使用済水蒸気は復水
器36で凝縮される。凝縮した水蒸気を給水に加えるこ
とができるように、復水器出力ライン38が給水ライン
32と連結している。復水器36は水循環ライン37を
含んでおり、水循環ライン37を水ライン39によって
脱塩プラント30と連結してプラント30に補給水を供
給する。
ある。しかし、別の実施形態では、図2及び図3に示す
通り、トッピングヒータ20は電気ヒータであってもよ
い。水分解装置18で生じた酸素と水素の一部をトッピ
ングヒータ20に送り、ヒータ20用の燃料として用い
る。ガス燃焼トッピングヒータ20からの排気を排気ラ
イン42を介して再生式熱交換器40に送る。再生式熱
交換器40は、蒸気発生器16からの蒸気出力のうち分
解装置18に送られる部分をさらに加熱する。再生式熱
交換器40は蒸気ライン44によって蒸気発生器16と
連結している。再生式熱交換器40からの出力を蒸気ラ
イン46を介してトッピングヒータ20に送る。トッピ
ングヒータ20は再生式熱交換器40からの出力を85
0℃以上に加熱する。高温水分解装置18は850℃以
上に加熱された水蒸気を原料として酸素と水素を発生す
る。水分解装置18は、熱エネルギーを用いて水を水素
と酸素に解離する公知のどんな高温水分解装置であって
もよい。
ギーを十分に利用するため、再生式熱交換器40からの
排気を排気ライン50を経由して別の再生式熱交換器4
8に送る。再生式熱交換器48は、蒸気発生器16と蒸
気タービン・発電機アセンブリ34とを連結する蒸気ラ
イン52に位置する。再生式熱交換器48からの排気を
排気ライン54を経由して給水源30に送る。この実施
形態では、給水源は、給水及び販売用の水を供給する脱
塩プラントである。
発生システム60の線図である。システム60は、原子
炉12から熱を抽出するための非放射性二次熱ループ1
4を有する液体金属原子炉12、二次熱ループ14と連
結した蒸気発生器16、高温水分解装置18及びトッピ
ングヒータ62を含んでなる。
14は原子炉12内の中間熱交換器22と連結してお
り、ホットレグ24、コールドレグ26及び循環ポンプ
28を含んでいる。システム60も、給水ライン32に
よって蒸気発生器16と連結した給水源30を含んでい
る。この実施形態では、給水源30は脱塩プラントであ
るが、給水源は、例えば水体、脱塩プラント、浄水シス
テム、蒸気タービン復水器又はこれらの組合せでもよ
い。蒸気発生器16で加熱された給水つまり水蒸気の一
部は蒸気ライン44を経て分解装置18に送られ、蒸気
の一部は蒸気ライン52を経て蒸気タービン・発電機ア
センブリ34に送られる。復水器36が蒸気タービン・
発電機アセンブリ34と連結し、凝縮した水蒸気を給水
に加えることができるように復水器出力ライン38が給
水ライン32と連結している。復水器36は水循環ライ
ン64を含んでいる。
部に配置された電気ヒータであり、加熱された給水つま
り水蒸気と接する。トッピングヒータ62は蒸気発生器
16からの蒸気を水分解装置18内で850℃以上に加
熱し、水蒸気を水素と酸素に解離するのに必要な追加の
熱を加える。電気トッピングヒータ62の電力として、
蒸気タービン・発電機アセンブリ34で発生した電気の
一部を使用する。
発生システム70の線図である。システム70はシステ
ム60と類似しているが、蒸気タービン・発電機アセン
ブリ34及び復水器36に代えて発電用燃料電池装置7
2を設けた点で異なる。また、システム70は蒸気ター
ビン34を含まないので、蒸気発生器16で発生した水
蒸気はすべて蒸気ライン44を経由して水分解装置18
に送られる。
は、燃料電池装置72での電気の発生に用いられる。水
は燃料電池装置72における電気発生の副生物である。
この副生物の水は出力水ライン74を経て給水ライン3
2に送られる。燃料電池装置72は水循環ライン76及
び78を含んでいる。また、水ライン80によって水循
環ライン78と脱塩プラント30とが連結され、加熱さ
れた補給水をプラント30に供給する。廃水ライン82
は脱塩プラント30から塩分を含んだ廃水を除去する。
常運転温度で運転される液体金属原子炉12及びトッピ
ングヒータ20及び62を利用することによって、水分
解装置18の効率的運転に十分な量の熱を低コストで発
生する。トッピングヒータ20及び62は、原子炉12
の発熱で生じる蒸気の温度を所望の分解装置運転温度へ
と上昇させる。水分解装置18を原子炉12及びトッピ
ングヒータ20及び60から供給される熱と共に水素の
発生に利用すると、炭素系原料を使用した水素の発生で
通例起こる温室効果ガスの排出をなくすことができる。
(14)を有する液体金属原子炉(12);上記二次熱
ループと連結し、上記給水の温度を上げることのできる
蒸気発生器(16);給水入力ライン(32)により上
記給水と連結した高温水分解装置(18);及び上記給
水の温度を上げることのできるトッピングヒータ(2
0)を含んでなる水素発生システム(10)。
置及び蒸気タービン復水器の少なくとも1つからの出力
を含む、1のシステム(10)。
(16)と連結していて、該蒸気発生器が給水の温度を
約450℃〜約550℃に上昇させる、1のシステム
(10)。
下流のトッピングヒータ(20)と連結していて、該ト
ッピングヒータが給水の温度を850℃以上に上昇させ
る、3のシステム(10)。
ヒータを含む、1のシステム(10)。
素と水素の一部をトッピングヒータ(20)で燃料とし
て使用する、5のシステム(10)。
含んでいて、ガス燃焼トッピングヒータ(20)からの
排気を第一再生式熱交換器(40)に送り、給水入力ラ
イン(32)が蒸気発生器(16)の下流の第一再生式
熱交換器(40)と連結している、5のシステム(1
0)。
排気を、第一再生式熱交換器(40)に通した後、脱塩
プラントに送る、7のシステム(10)。
含んでいて、ガス燃焼トッピングヒータ(20)からの
排気を、第一再生式熱交換器(40)に通した後、第二
再生式熱交換器(48)に送る、7のシステム(1
0)。
(34)をさらに含んでいて、蒸気発生器(16)の出
力の一部を第二再生式熱交換器(48)を通して蒸気タ
ービン・発電機アセンブリ(34)に送る、9のシステ
ム(10)。
(34)をさらに含んでいて、蒸気発生器(16)の出
力の一部を用いて蒸気タービン・発電機アセンブリ(3
4)を駆動して発電する、1のシステム(10)。
ータを含み、蒸気タービン・発電機アセンブリ(34)
で発生した電気の一部を用いて上記電気トッピングヒー
タに電力供給する、11のシステム(10)。
(72)をさらに含んでいて、トッピングヒータ(6
2)が電気ヒータを含み、高温水分解装置(18)で発
生した酸素と水素の一部を上記発電燃料電池で燃料とし
て使用し、上記燃料電池装置で発生した電気の一部を使
用して電気トッピングヒータに電力供給し、上記燃料電
池装置で発生した水を給水(30)に加えて高温水分解
装置用に用いる、1のシステム(10)。
する液体金属原子炉(12)を用いて水素を発生する方
法であって、当該方法が、二次熱ループ(14)を蒸気
発生器(16)と連結することにより、二次熱ループを
蒸気発生器用の熱源として利用する段階、上記蒸気発生
器内で給水(30)を加熱する段階、加熱した給水を蒸
気発生器からトッピングヒータ(20)に送る段階、ト
ッピングヒータを用いて給水を加熱する段階、加熱した
給水をトッピングヒータから高温水分解装置(18)に
送って水素と酸素を発生させる段階を含んでなる方法。
0)を加熱する段階が、蒸気発生器内の給水を約450
℃〜約550℃の温度に加熱する段階を含む、14の方
法。
(30)を加熱する段階が、トッピングヒータ内の給水
を約850℃以上に加熱する段階を含む、14の方法。
焼ヒータを含んでいて、当該方法が、高温水分解装置
(18)で発生した酸素と水素の一部をトッピングヒー
タに送ってトッピングヒータで燃料として使用する段階
をさらに含む、14の方法。
タ(20)からの排気を第一再生式熱交換器(40)に
送る段階をさらに含んでいて、加熱した給水を蒸気発生
器(16)からトッピングヒータ(20)に送る段階
が、加熱した給水を蒸気発生器から第一再生式熱交換器
に送る段階、第一再生式熱交換器で給水を加熱する段
階、及び加熱した給水をトッピングヒータに送る段階を
含む、17の方法。
からの排気を、第一再生式熱交換器(40)を通した後
に、第二再生式熱交換器(48)に送る段階をさらに含
む、18の方法。
給水(30)の一部を第二再生式熱交換器(48)に送
る段階、第二再生式熱交換器で給水を加熱する段階、加
熱した給水を第二再生式熱交換器から蒸気タービン・発
電機アセンブリ(34)に送る段階、及び加熱した給水
を用いて蒸気タービン・発電機アセンブリを駆動するこ
とにより発電する段階をさらに含む、19の方法。
給水(30)の一部を蒸気タービン・発電機アセンブリ
(34)に送る段階、加熱した給水を用いて蒸気タービ
ン・発電機アセンブリを駆動することにより発電する段
階をさらに含む、14の方法。
ータを含んでいて、当該方法が、蒸気タービン・発電機
アセンブリ(34)で発生した電気の一部を電気トッピ
ングヒータに送り電気トッピングヒータに電力供給する
段階を含む、21の方法。
ータであり、当該方法が、高温水分解装置(18)で発
生した酸素と水素の一部を発電燃料電池装置(72)に
送る段階、水素と酸素を燃料電池装置の燃料として利用
して発電する段階、及び燃料電池装置で発生した電気の
一部を電気トッピングヒータに送り電気トッピングヒー
タに電力供給する段階をさらに含む、14の方法。
て発生した水を給水(30)に加える段階をさらに含
む、23の方法。
明してきたが、本発明の技術的思想及び技術的範囲内で
各種の変更を加えて本発明を実施できることは当業者に
は自明であろう。
ヒータを含む水素発生システムの線図である。
ータを含む水素発生システムの線図である。
ータ及び発電燃料電池装置を含む水素発生システムの線
図である。
Claims (24)
- 【請求項1】 給水;非放射性二次熱ループを有する液
体金属原子炉;上記二次熱ループと連結し、上記給水の
温度を上げることのできる蒸気発生器;給水入力ライン
により上記給水と連結した高温水分解装置;及び上記給
水の温度を上げることのできるトッピングヒータを含ん
でなる水素発生システム。 - 【請求項2】 前記給水が脱塩プラント、浄水装置及び
蒸気タービン復水器の少なくとも1つからの出力を含
む、請求項1記載のシステム。 - 【請求項3】 前記給水入力ラインが前記蒸気発生器と
連結していて、前記蒸気発生器が給水の温度を約450
℃〜約550℃に上昇させる、請求項1記載のシステ
ム。 - 【請求項4】 前記給水が前記蒸気発生器の下流の前記
トッピングヒータと連結していて、前記トッピングヒー
タが給水の温度を850℃以上に上昇させる、請求項3
記載のシステム。 - 【請求項5】 前記トッピングヒータがガス燃焼ヒータ
を含む、請求項1記載のシステム。 - 【請求項6】 前記高温水分解装置で発生した酸素と水
素の一部を前記トッピングヒータで燃料として使用す
る、請求項5記載のシステム。 - 【請求項7】 第一再生式熱交換器をさらに含んでい
て、前記ガス燃焼トッピングヒータからの排気を第一再
生式熱交換器に送り、前記給水入力ラインが前記蒸気発
生器の下流の前記第一再生式熱交換器と連結している、
請求項5記載のシステム。 - 【請求項8】 前記ガス燃焼トッピングヒータの排気
を、前記第一再生式熱交換器に通した後、脱塩プラント
に送る、請求項7記載のシステム。 - 【請求項9】 第二再生式熱交換器をさらに含んでい
て、前記ガス燃焼トッピングヒータからの排気を、前記
第一再生式熱交換器に通した後、前記第二再生式熱交換
器に送る、請求項7記載のシステム。 - 【請求項10】 蒸気タービン・発電機アセンブリをさ
らに含んでいて、前記蒸気発生器の出力の一部を前記第
二再生式熱交換器を通して上記蒸気タービン・発電機ア
センブリに送る、請求項9記載のシステム。 - 【請求項11】 蒸気タービン・発電機アセンブリをさ
らに含んでいて、前記蒸気発生器の出力の一部を用いて
上記蒸気タービン・発電機アセンブリを駆動して発電す
る、請求項1記載のシステム。 - 【請求項12】 前記トッピングヒータが電気ヒータを
含み、前記蒸気タービン・発電機アセンブリで発生した
電気の一部を用いて上記電気トッピングヒータに電力供
給する、請求項11記載のシステム。 - 【請求項13】 当該システムが発電燃料電池装置をさ
らに含んでいて、前記トッピングヒータが電気ヒータを
含み、前記高温水分解装置で発生した酸素と水素の一部
を上記発電燃料電池で燃料として使用し、上記燃料電池
装置で発生した電気の一部を使用して前記電気トッピン
グヒータに電力供給し、上記燃料電池装置で発生した水
を前記給水に加えて前記高温水分解装置用に用いる、請
求項1記載のシステム。 - 【請求項14】 非放射性二次熱ループを有する液体金
属原子炉を用いて水素を発生する方法であって、当該方
法が、 二次熱ループを蒸気発生器と連結することにより、二次
熱ループを蒸気発生器用の熱源として利用する段階、 上記蒸気発生器内で給水を加熱する段階、 加熱した給水を蒸気発生器からトッピングヒータに送る
段階、 トッピングヒータを用いて給水を加熱する段階、 加熱した給水をトッピングヒータから高温水分解装置に
送って水素と酸素を発生させる段階を含んでなる方法。 - 【請求項15】 蒸気発生器内で給水を加熱する段階
が、蒸気発生器内の給水を約450℃〜約550℃の温
度に加熱する段階を含む、請求項14記載の方法。 - 【請求項16】 トッピングヒータ内で給水を加熱する
段階が、トッピングヒータ内の給水を約850℃以上に
加熱する段階を含む、請求項14記載の方法。 - 【請求項17】 前記トッピングヒータがガス燃焼ヒー
タを含んでいて、当該方法が、前記高温水分解装置で発
生した酸素と水素の一部をトッピングヒータに送ってト
ッピングヒータで燃料として使用する段階をさらに含
む、請求項14記載の方法。 - 【請求項18】 当該方法がガス燃焼トッピングヒータ
からの排気を第一再生式熱交換器に送る段階をさらに含
んでいて、前記加熱した給水を蒸気発生器からトッピン
グヒータに送る段階が、 加熱した給水を蒸気発生器から第一再生式熱交換器に送
る段階、 第一再生式熱交換器で給水を加熱する段階、及び加熱し
た給水をトッピングヒータに送る段階を含む、請求項1
7記載の方法。 - 【請求項19】 ガス燃焼トッピングヒータからの排気
を、第一再生式熱交換器を通した後に、第二再生式熱交
換器に送る段階をさらに含む、請求項18記載の方法。 - 【請求項20】 蒸気発生器からの加熱した給水の一部
を第二再生式熱交換器に送る段階、 第二再生式熱交換器で給水を加熱する段階、 加熱した給水を第二再生式熱交換器から蒸気タービン・
発電機アセンブリに送る段階、及び加熱した給水を用い
て蒸気タービン・発電機アセンブリを駆動することによ
り発電する段階をさらに含む、請求項19記載の方法。 - 【請求項21】 蒸気発生器からの加熱した給水の一部
を蒸気タービン・発電機アセンブリに送る段階、 加熱した給水を用いて蒸気タービン・発電機アセンブリ
を駆動することにより発電する段階をさらに含む、請求
項14記載の方法。 - 【請求項22】 前記トッピングヒータが電気ヒータを
含んでいて、当該方法が、前記蒸気タービン・発電機ア
センブリで発生した電気の一部を電気トッピングヒータ
に送り電気トッピングヒータに電力供給する段階を含
む、請求項21記載の方法。 - 【請求項23】 前記トッピングヒータが電気ヒータで
あり、当該方法が、 前記高温水分解装置で発生した酸素と水素の一部を発電
燃料電池装置に送る段階、水素と酸素を燃料電池装置の
燃料として利用して発電する段階、及び燃料電池装置で
発生した電気の一部を電気トッピングヒータに送り電気
トッピングヒータに電力供給する段階をさらに含む、請
求項14記載の方法。 - 【請求項24】 燃料電池装置で副生物として発生した
水を給水に加える段階をさらに含む、請求項23記載の
方法。
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