JP2006058204A - Hydrogen manufacturing device - Google Patents

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Kuniyoshi Hoshino
国義 星野
Akira Sasahira
朗 笹平
Fumio Kawamura
文雄 河村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen manufacturing device capable of making the best use of decay heat of a spent nuclear fuel. <P>SOLUTION: This device of the present invention is provided with a heat recovery means 10, a heat supply means 15, and a hydrogen generating means 20A, and the heat recovery means 10 is connected to the heat supply means 15 by flow passages 11 (11a, 11b). A container 2 storing the spent nuclear fuel is provided in an inside of the heat recovery means 10, and the decay heat radiated from he spent nuclear fuel is recovered by a heating medium S. The recovered heating medium S is fed to the heat supply means 15 via the flow passage 11b to supply heat to a reaction part 21. In the reaction part 21, a raw material is supplied from a raw material supply part 22, and hydrogen is generated using the heat of the heating medium S as a heat source in reaction. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、例えば原子力発電所から排出される使用済核燃料の崩壊熱を利用して水素を製造する水素製造装置に関する。   The present invention relates to a hydrogen production apparatus that produces hydrogen using decay heat of spent nuclear fuel discharged from, for example, a nuclear power plant.

原子力発電所において発生する使用済核燃料は、再処理されてウランやプルトニウム等のリサイクル可能な核燃料物質が前記使用済核燃料から回収される。このリサイクル可能な核燃料物質を回収する前の使用済核燃料は、崩壊熱を放出するため、再処理されるまでの間、使用済核燃料を燃料棒に収めた状態のままで、例えば原子力発電所に設けられた専用の貯蔵プールや中間貯蔵施設などで冷却しながら保管される。保管期間経過後、燃料棒から取り出された使用済核燃料は、再処理されてウランやプルトニウム等が回収されて残りはガラス固化されて、さらに長期間地上で保管された後に地層処分される。   Spent nuclear fuel generated at the nuclear power plant is reprocessed, and recyclable nuclear fuel materials such as uranium and plutonium are recovered from the spent nuclear fuel. The spent nuclear fuel before recovering this recyclable nuclear fuel material releases decay heat, so that the spent nuclear fuel remains in the fuel rods until it is reprocessed. It is stored while cooling in a dedicated storage pool or intermediate storage facility. After the storage period has passed, spent nuclear fuel taken out from the fuel rods is reprocessed to recover uranium, plutonium, etc., and the rest is vitrified, and stored on the ground for a longer period of time before being disposed of.

従来、このような使用済核燃料から放出される崩壊熱は、有効活用されずにそのまま外部に放出されるだけであった。そこで、資源保護や省エネルギーなどを図る観点から、使用済核燃料から放出される崩壊熱を有効活用するための技術が種々提案されており、例えば、特許文献1ないし3では、使用済核燃料の熱を利用して発電を行う技術が提案されている。   Conventionally, decay heat released from such spent nuclear fuel has been simply released outside without being effectively utilized. Therefore, various technologies for effectively utilizing decay heat released from spent nuclear fuel have been proposed from the viewpoint of resource conservation and energy saving. For example, Patent Documents 1 to 3 disclose the heat of spent nuclear fuel. A technique for generating electricity by using it has been proposed.

また、近年、環境保護の観点から燃料電池自動車など水素を燃料とする燃料電池の開発や普及が進められている。このため、今後水素の需要が一層増えることが予想され、水素を安定して供給することが望まれている。水素を製造する方法としては、天然ガスなどの化石燃料の燃焼熱を反応時の熱源として利用することが一般に行われている。しかし、化石燃料の燃焼熱を熱源にすると、水素とともに地球温暖化現象の原因となる二酸化炭素を大量に発生するという問題を生じる。そこで、二酸化炭素を発生させないで水素を生成する技術として、例えば特許文献4〜6に記載のものが提案されている。
特開2000−221297号公報(段落0035〜0041、図1) 特開2004−109013号公報(段落0029,0030) 特開平5−150099号公報(段落0007) 特開2002−241101号公報(段落0009〜0010、図1) 特開2000−327301号公報(段落0004,0005、図1) 特開2003−54902号公報(段落0010〜0013)
In recent years, development and popularization of fuel cells using hydrogen as fuel, such as fuel cell vehicles, have been promoted from the viewpoint of environmental protection. For this reason, the demand for hydrogen is expected to increase further in the future, and it is desired to supply hydrogen stably. As a method for producing hydrogen, it is common practice to use the heat of combustion of fossil fuel such as natural gas as a heat source during the reaction. However, when the heat of combustion of fossil fuel is used as a heat source, a problem arises in that a large amount of carbon dioxide, which causes global warming, is generated together with hydrogen. Thus, as a technique for generating hydrogen without generating carbon dioxide, for example, those described in Patent Documents 4 to 6 have been proposed.
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-212297 (paragraphs 0035 to 0041, FIG. 1) Japanese Patent Laying-Open No. 2004-109013 (paragraphs 0029 and 0030) Japanese Patent Laid-Open No. 5-150099 (paragraph 0007) Japanese Patent Laid-Open No. 2002-241101 (paragraphs 0009 to 0010, FIG. 1) JP 2000-327301 A (paragraphs 0004 and 0005, FIG. 1) JP 2003-54902 A (paragraphs 0010 to 0013)

しかし、特許文献1〜3に記載のように使用済核燃料の崩壊熱を利用して発電するシステムでは、崩壊熱の放出を制御することが困難であり、しかも電気は貯蔵可能な媒体ではないため、電力が必要なときに発電を行うと発電が不要なときに熱が無駄に放出され、崩壊熱を有効に活用することができなくなる。   However, in the system that generates power using the decay heat of spent nuclear fuel as described in Patent Documents 1 to 3, it is difficult to control the release of decay heat, and electricity is not a storable medium. When power generation is performed when power is required, heat is wasted when power generation is unnecessary, and decay heat cannot be used effectively.

また、特許文献4に記載の原子炉の熱を直接に利用するシステムでは、原子炉の熱を回収する熱媒体が特定の温度に設定されてしまうため、水素生成時に必要な熱源を反応形態に適した温度に設定することが困難になる。また、特許文献4ないし6は、いずれも原子炉を利用して水素を生成する技術については提案されているが、使用済核燃料の崩壊熱を有効活用する技術については何ら検討されていない。   Further, in the system that directly uses the heat of the reactor described in Patent Document 4, the heat medium for recovering the heat of the reactor is set to a specific temperature. It becomes difficult to set a suitable temperature. In addition, Patent Documents 4 to 6 have all proposed a technique for generating hydrogen using a nuclear reactor, but have not studied any technique for effectively utilizing decay heat of spent nuclear fuel.

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、使用済核燃料などから放出される崩壊熱を有効に活用することができ、また水素製造時の反応形態に適した温度に調整することが可能な水素製造装置を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems, can effectively utilize decay heat released from spent nuclear fuel, etc., and can be adjusted to a temperature suitable for the reaction mode during hydrogen production. An object of the present invention is to provide a hydrogen production apparatus that can be used.

本発明は、使用済核燃料または崩壊熱を発する核廃棄物から放出される熱を所定の熱媒体を介して回収する熱回収手段と、前記熱回収手段で回収された熱を利用して水素を生成する水素生成手段と、前記水素生成手段に前記熱回収手段で回収された熱を供給する熱供給手段と、前記熱回収手段と前記熱供給手段との間で前記熱媒体を循環させる流路とを備えることを特徴とするものである。   The present invention includes heat recovery means for recovering heat released from spent nuclear fuel or nuclear waste that generates decay heat through a predetermined heat medium, and hydrogen using the heat recovered by the heat recovery means. Hydrogen generating means to be generated, heat supply means for supplying heat recovered by the heat recovery means to the hydrogen generating means, and a flow path for circulating the heat medium between the heat recovery means and the heat supply means Are provided.

本発明によれば、使用済核燃料から発せられる崩壊熱を利用して貯蔵可能な水素を製造することで崩壊熱を有効に活用できるようになる。   According to the present invention, decay heat can be effectively utilized by producing hydrogen that can be stored using decay heat generated from spent nuclear fuel.

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。図1は、第1実施形態の水素製造装置を示す全体構成図、図2は、熱回収手段の内部構造を示す断面図である。なお、以下の各実施形態では、使用済核燃料の崩壊熱を利用して水素を製造する場合を例に挙げて説明する。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram showing the hydrogen production apparatus according to the first embodiment, and FIG. 2 is a sectional view showing an internal structure of the heat recovery means. In the following embodiments, a case where hydrogen is produced using decay heat of spent nuclear fuel will be described as an example.

(第1実施形態)
図1に示すように、この水素製造装置1Aは、熱回収手段10と、流路11(第1の流路11a,第2の流路11b)と、循環ポンプ12と、熱供給手段15と、水素生成手段20Aとを備えて構成されている。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, this hydrogen production apparatus 1A includes a heat recovery means 10, a flow path 11 (first flow path 11a, second flow path 11b), a circulation pump 12, and a heat supply means 15. And a hydrogen generation means 20A.

図2に示すように、熱回収手段10は、筒型の収納部10aを有し、この収納部10a内に複数の容器2を収めたものである。容器2は、金属材料で形成された筒体3を有し、この筒体3内に使用済核燃料Wを収めて密閉したものである。本実施形態での使用済核燃料Wとは、所定期間発電を行った後に原子炉から取り出された使用済核燃料の集合体を構成する各燃料棒に収められたペレットを意味している。なお、筒体3は、使用済核燃料Wから熱を取り出し易い形状および材質となっている。ここで、熱を取り出しやすい形状とは、例えば筒体3が細長いなど、単位体積当りの表面積が大きな形状である。熱を取り出しやすい形状にすることにより、熱回収手段10をコンパクトにしつつ、大きな熱を水素生成手段20Aを構成する後記の反応部21に供給することができるようになる。また、容器2としては、原子炉から取り出した使用済核燃料Wが収められた燃料棒であってもよい。   As shown in FIG. 2, the heat recovery means 10 has a cylindrical storage portion 10a, and a plurality of containers 2 are stored in the storage portion 10a. The container 2 has a cylindrical body 3 formed of a metal material, and the spent nuclear fuel W is contained in the cylindrical body 3 and sealed. The spent nuclear fuel W in the present embodiment means pellets stored in each fuel rod constituting an assembly of spent nuclear fuel taken out from the nuclear reactor after performing power generation for a predetermined period. Note that the cylindrical body 3 has a shape and a material that can easily extract heat from the spent nuclear fuel W. Here, the shape from which heat is easily extracted is a shape having a large surface area per unit volume, for example, the cylindrical body 3 is elongated. By making the shape easy to extract heat, the heat recovery means 10 can be made compact, and large heat can be supplied to the reaction section 21 described later constituting the hydrogen generation means 20A. Further, the container 2 may be a fuel rod containing spent nuclear fuel W taken out from the nuclear reactor.

図1に示すように、熱供給手段15は、例えば金属製で、反応部21が収められる筒型の形状をしている。熱回収手段10と熱供給手段15とは、その下部同士が、加熱前の流体が流れる第1の流路11aで接続されている。また、熱回収手段10と熱供給手段15とは、その上部同士が、加熱後の流体が流れる第2の流路11bで接続されている。第1の流路11aの途中には循環ポンプ12が設けられており、熱回収手段10で容器2が発する熱により加熱された熱媒体Sは、第2の流路11bを経由して熱供給手段15に供給され、熱供給手段15で反応部21に熱を供給した熱媒体Sは、第1の流路11aを経由して熱回収手段10に戻るようになっている。つまり、熱媒体Sは、第1の流路11aと第2の流路11bを経由して、熱回収手段10と熱供給手段15とを循環するようになっている。なお、熱回収手段10、流路11、及び熱供給手段15は、熱を有効利用できるように、それぞれ断熱材で保温されている。また、熱供給手段15は、筒型に限定されるものではなく、反応部に熱を供給できるものであれば特に限定されるものではない。
本実施形態では、循環ポンプ12は、第1の流路11a側に設けられているが、第2の流路11b側に設けられていてもよい。
As shown in FIG. 1, the heat supply means 15 is made of, for example, metal and has a cylindrical shape in which the reaction unit 21 is accommodated. The lower portions of the heat recovery means 10 and the heat supply means 15 are connected to each other by a first flow path 11a through which a fluid before heating flows. Moreover, the upper part of the heat recovery means 10 and the heat supply means 15 are connected by a second flow path 11b through which the heated fluid flows. A circulation pump 12 is provided in the middle of the first flow path 11a, and the heat medium S heated by the heat generated by the container 2 by the heat recovery means 10 supplies heat via the second flow path 11b. The heat medium S supplied to the means 15 and supplied with heat to the reaction section 21 by the heat supply means 15 returns to the heat recovery means 10 via the first flow path 11a. That is, the heat medium S circulates between the heat recovery means 10 and the heat supply means 15 via the first flow path 11a and the second flow path 11b. The heat recovery means 10, the flow path 11, and the heat supply means 15 are each kept warm by a heat insulating material so that heat can be used effectively. Further, the heat supply means 15 is not limited to a cylindrical shape, and is not particularly limited as long as it can supply heat to the reaction section.
In the present embodiment, the circulation pump 12 is provided on the first flow path 11a side, but may be provided on the second flow path 11b side.

なお、使用済核燃料Wから発せられる熱は、使用済核燃料Wに含まれる核分裂生成物質(FP;Fission Products)が崩壊して軽い元素に変換される際に発生するものである。   The heat generated from the spent nuclear fuel W is generated when a fission product (FP) contained in the spent nuclear fuel W is collapsed and converted into a light element.

本実施形態では、図2に示すように、熱回収手段10は、複数の容器2が互いに所定の間隔をあけた状態で収納部10a内部の空間内に配置されている。図2では、縦長の容器2が熱媒体Sの流れに沿う方向に置かれているが、容器2が流れに直角な方向に置かれていてもよい。本実施形態では、収納部10a内に容器2を複数配置しているので、各容器2と熱媒体Sとの接触面積を広く設定できるので、使用済核燃料Wの崩壊熱の回収率を高めることができる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the heat recovery means 10 is arranged in a space inside the storage portion 10 a with a plurality of containers 2 spaced apart from each other by a predetermined distance. In FIG. 2, the vertically long container 2 is placed in a direction along the flow of the heat medium S, but the container 2 may be placed in a direction perpendicular to the flow. In the present embodiment, since a plurality of containers 2 are arranged in the storage portion 10a, the contact area between each container 2 and the heat medium S can be set wide, so that the decay heat recovery rate of the spent nuclear fuel W can be increased. Can do.

熱媒体Sとしては、熱の回収が可能であれば特に限定されるものではないが、例えば、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガス、水、炭酸ガスなどから選択することができる。なお、熱媒体Sは、原子炉の冷却材と同様、放射化されないこと、比熱が大きいこと、取扱が容易なことなどの特性があることが望ましい。   The heat medium S is not particularly limited as long as heat can be recovered. For example, the heat medium S can be selected from inert gases such as helium and argon, water, and carbon dioxide. In addition, like the coolant of the nuclear reactor, it is desirable that the heat medium S has characteristics such as being not activated, having a large specific heat, and being easy to handle.

図1に示すように、水素生成手段20Aは、反応部21と、原料供給部22と、水素回収部23とで構成されている。   As shown in FIG. 1, the hydrogen generation means 20 </ b> A includes a reaction unit 21, a raw material supply unit 22, and a hydrogen recovery unit 23.

反応部21は、原料供給部22から供給された原料を用いて水素を製造する装置であり、反応部21での反応形態としては、熱の存在下で水素生成反応が進行するものであれば熱に限定されるものではないが、熱分解法、改質法、熱化学法のうちの1種の方法から選択することができる。熱分解法としては、例えば、水の熱分解法、メタンの熱分解法、メタノールの熱分解法などから選択できる。改質法としては、例えば、天然ガスの水蒸気改質法、石灰ガス化法、メタノールの水蒸気改質法、天然ガスのCO2改質法などから選択できる。熱化学法としては、例えば、IS(Iodine−Sulfur)プロセスなどから選択できる。なお、熱分解法、改質法および熱化学法は、いずれも公知の原理である。 The reaction unit 21 is an apparatus that produces hydrogen using the raw material supplied from the raw material supply unit 22, and the reaction form in the reaction unit 21 may be any type in which a hydrogen generation reaction proceeds in the presence of heat. Although not limited to heat, it can be selected from one of a pyrolysis method, a reforming method, and a thermochemical method. The pyrolysis method can be selected from, for example, water pyrolysis, methane pyrolysis, methanol pyrolysis, and the like. The reforming method can be selected from, for example, a natural gas steam reforming method, a lime gasification method, a methanol steam reforming method, and a natural gas CO 2 reforming method. The thermochemical method can be selected from, for example, an IS (Iodine-Sulfur) process. The pyrolysis method, the reforming method, and the thermochemical method are all known principles.

例えば、改質法の一例として、天然ガスの水蒸気改質法について述べると、この方法は、メタン(CH4)と水(H2O)を原料供給部22からそれぞれ供給して、所定の温度の熱を与えながら互いに反応させることにより水素(H2)を生成する方法である。ただし、この反応形態を利用すると二酸化炭素を発生することになるが、水素反応時に必要な熱源は、使用済核燃料Wから放出される崩壊熱を利用するので、化石燃料の燃焼熱を利用する場合と比べて二酸化炭素の排出量を少なくできる。よって、地球温暖化現象の原因となる二酸化炭素の発生量を低く抑えた状態で水素を製造できるようになる。 For example, as an example of the reforming method, a steam reforming method of natural gas will be described. In this method, methane (CH 4 ) and water (H 2 O) are respectively supplied from the raw material supply unit 22 to a predetermined temperature. In this method, hydrogen (H 2 ) is generated by reacting with each other while applying heat. However, if this reaction mode is used, carbon dioxide will be generated. However, since the heat source necessary for the hydrogen reaction uses decay heat released from the spent nuclear fuel W, the combustion heat of fossil fuel is used. The amount of carbon dioxide emissions can be reduced compared to. Therefore, hydrogen can be produced in a state where the amount of carbon dioxide that causes the global warming phenomenon is kept low.

また、熱化学法の一例として、ISプロセスについて述べると、この方法は、水を原料供給部22から供給し、ブンゼン反応、ヨウ化水素分解反応および硫酸分解反応を組み合わせて所定の熱を与えながら反応させることにより、水素を生成する方法である。この反応形態を利用すると、二酸化炭素を排出せずに水素を製造することできるようになる。   As an example of the thermochemical method, the IS process will be described. In this method, water is supplied from the raw material supply unit 22 and a predetermined heat is applied by combining the Bunsen reaction, the hydrogen iodide decomposition reaction, and the sulfuric acid decomposition reaction. This is a method of generating hydrogen by reacting. When this reaction mode is used, hydrogen can be produced without discharging carbon dioxide.

なお、本実施形態では、前記したすべての反応形態を常に選択することができるわけではなく、熱回収手段10により設定可能な温度に応じて反応部21での反応形態を選択する必要がある。つまり、熱回収手段10で設定可能な温度が低い場合には、それに合った反応形態を選択する必要があり、また熱回収手段10で設定可能な温度を高く設定できる場合には、高温の熱源が必要な反応形態を選択することができる。   In the present embodiment, it is not always possible to select all the reaction forms described above, and it is necessary to select the reaction form in the reaction unit 21 according to the temperature that can be set by the heat recovery means 10. That is, when the temperature that can be set by the heat recovery means 10 is low, it is necessary to select a reaction form suitable for the temperature, and when the temperature that can be set by the heat recovery means 10 can be set high, Can select the necessary reaction form.

反応部21では、水素のみが捕集されて水素回収部23に集められる。この水素回収部23は、例えば高圧ボンベや大型のタンクであり、これらボンベやタンクに水素を回収することにより水素を長期間保管しておくことができる。このように、本実施形態では、使用済核燃料Wからの崩壊熱を利用して貯蔵可能な水素を製造できるので、崩壊熱を無駄に外部に排出することがなくなり、崩壊熱の有効利用が可能になる。また、崩壊熱は、長期間連続して排出されるので、水素を安定的に連続供給できるようになる。なお、反応形態によって異なるが、前記したように水素生成時の副生成物として二酸化炭素が生成される反応形態の場合には、二酸化炭素を処理する装置(図示せず)を設けて二酸化炭素を大気中に放出しない処理をすることが好ましい。   In the reaction unit 21, only hydrogen is collected and collected in the hydrogen recovery unit 23. The hydrogen recovery unit 23 is, for example, a high-pressure cylinder or a large tank, and hydrogen can be stored in the cylinder or tank for a long time by recovering hydrogen. As described above, in this embodiment, hydrogen that can be stored can be produced using decay heat from the spent nuclear fuel W, so that decay heat is not exhausted to the outside and effective use of decay heat is possible. become. Moreover, since decay heat is continuously discharged for a long period of time, hydrogen can be stably supplied continuously. In addition, although it changes with reaction forms, in the case of the reaction form in which carbon dioxide is generated as a by-product at the time of hydrogen generation as described above, an apparatus (not shown) for treating carbon dioxide is provided to remove carbon dioxide. It is preferable to perform a treatment that does not release into the atmosphere.

次に、本実施形態の水素製造装置1Aにおいて、水素が生産されるまでの流れについて説明する。
循環ポンプ12を作動すると熱媒体Sが熱回収手段10と熱供給手段15との間で循環を開始し、使用済核燃料Wから筒体3を通して放出される崩壊熱は、熱媒体Sによって回収される。崩壊熱によって加熱され高温状態になった熱媒体Sは、第2の流路11bを通って熱供給手段15に送られる。熱供給手段15は、詳しく図示していないが、反応部21に対して水素生成反応時に必要な熱を供給できる構成となっている。反応部21では、熱供給手段15から熱を受け取り、この熱を反応時の熱源として利用して、水素が生成される。そして、熱供給手段15から排出された熱媒体Sは、反応部21で熱の一部が吸収されているので、熱供給手段15に導入する前よりも低い温度で第1の流路11aから排出されて熱回収手段10に戻る。そして、熱媒体Sは、容器2から発せられる崩壊熱によって再び加熱されて、第2の流路11bを介して反応部21へ送られる。このようにして熱媒体Sは、熱回収手段10と熱供給手段15との間を循環して、反応部21に連続的に熱を供給できるようになっている。
Next, a flow until hydrogen is produced in the hydrogen production apparatus 1A of the present embodiment will be described.
When the circulation pump 12 is operated, the heat medium S starts to circulate between the heat recovery means 10 and the heat supply means 15, and the decay heat released from the spent nuclear fuel W through the cylinder 3 is recovered by the heat medium S. The The heat medium S heated to the high temperature by the decay heat is sent to the heat supply means 15 through the second flow path 11b. Although not shown in detail, the heat supply means 15 is configured to be able to supply heat necessary for the hydrogen generation reaction to the reaction unit 21. The reaction unit 21 receives heat from the heat supply means 15 and uses this heat as a heat source during the reaction to generate hydrogen. And since the heat medium S discharged | emitted from the heat supply means 15 has absorbed a part of heat | fever in the reaction part 21, it is lower than the temperature before it introduce | transduces into the heat supply means 15, and it passes from the 1st flow path 11a. It is discharged and returns to the heat recovery means 10. The heat medium S is heated again by the decay heat generated from the container 2 and sent to the reaction unit 21 via the second flow path 11b. In this way, the heat medium S circulates between the heat recovery means 10 and the heat supply means 15 so that heat can be continuously supplied to the reaction section 21.

また、本実施形態で調整手段として機能する循環ポンプ12は、出力の調整が可能で、熱回収手段10と熱供給手段15との間を循環する熱媒体Sの流量を制御できるようになっている。これにより、反応部21に供給可能な温度を調整できるようになり、反応部21での反応形態に適した温度に設定できるようになる。   Further, the circulation pump 12 functioning as the adjusting means in the present embodiment can adjust the output, and can control the flow rate of the heat medium S circulating between the heat recovery means 10 and the heat supply means 15. Yes. Thereby, the temperature that can be supplied to the reaction unit 21 can be adjusted, and the temperature suitable for the reaction mode in the reaction unit 21 can be set.

なお、前記のように熱媒体Sの流量を変化させて温度を調整できるようにしたとしても、熱が無駄に外部に放出されることはないので、熱の有効利用が損なわれることがない。   Even if the temperature can be adjusted by changing the flow rate of the heat medium S as described above, the heat is not wasted to the outside, so that the effective use of heat is not impaired.

(第2実施形態)
図3は、第2実施形態の水素製造装置を示す全体構成図である。
この実施形態の水素製造装置1Bは、使用済核燃料Wから放出される崩壊熱が有する熱エネルギーを電気エネルギーに変換して水の電気分解法により水素を製造する水素生成手段20Bを搭載している。その他の構成については、第1実施形態と同様であるので、同一の符号を付してその説明を省略する。なお、第3実施形態以降の各実施形態についても同様とする。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is an overall configuration diagram showing a hydrogen production apparatus according to the second embodiment.
The hydrogen production apparatus 1B of this embodiment is equipped with a hydrogen generation means 20B that converts the thermal energy of decay heat released from the spent nuclear fuel W into electrical energy and produces hydrogen by water electrolysis. . Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the same reference numerals are given and description thereof is omitted. The same applies to each of the third and subsequent embodiments.

水素生成手段20Bは、熱電変換部25と、電気分解部26とを備えている。熱電変換部25は、熱電素子を有し、この熱電素子は、前記熱供給手段15を介して熱エネルギーを電気エネルギーに直接に変換している。なお、熱電素子としては、熱エネルギーを電気エネルギーに変換できるものであれば特に限定されるものではなく、従来から一般的に使用されている素子から選択することができる。   The hydrogen generation means 20B includes a thermoelectric conversion unit 25 and an electrolysis unit 26. The thermoelectric conversion unit 25 includes a thermoelectric element, and the thermoelectric element directly converts heat energy into electric energy via the heat supply means 15. The thermoelectric element is not particularly limited as long as it can convert heat energy into electric energy, and can be selected from elements conventionally used in general.

電気分解部26は、水の電気分解法により水素を製造できる装置により構成されている。この水の電気分解法としては、例えば、アルカリ水電解法、高温・高圧アルカリ水電解法、固体高分子電解質水電解法、および高温水蒸気電解法のうちのいずれか1種から選択することができる。なお、いずれの電気分解法も公知の原理である。   The electrolysis part 26 is comprised by the apparatus which can manufacture hydrogen by the electrolysis method of water. The electrolysis method of water can be selected from any one of alkaline water electrolysis, high temperature / high pressure alkaline water electrolysis, solid polymer electrolyte water electrolysis, and high temperature steam electrolysis. Any electrolysis method is a known principle.

例えば、電気分解法の一例として、固体高分子電解質水電解法について述べると、この方法は、イオン交換膜を隔膜および電解質として用い、その両側に電極を接合し、純水を電解して水素を生成する方法である。この方法によれば、メンテナンスが容易であるとともに、高純度の水素を高い効率で得ることができるようになる。   For example, a solid polymer electrolyte water electrolysis method will be described as an example of an electrolysis method. This method uses an ion exchange membrane as a diaphragm and an electrolyte, joins electrodes on both sides, and electrolyzes pure water to generate hydrogen. It is a method to do. According to this method, maintenance is easy and high-purity hydrogen can be obtained with high efficiency.

第2実施形態の水素製造装置1Bでは、使用済核燃料Wの崩壊熱を回収した熱媒体Sは、熱電変換部25によって熱エネルギーが電気エネルギーに直接に変換される。熱電変換部25と接続された電気分解部26は、原料供給部22から供給された水を、熱電変換部25から供給された電気によって電気分解する。この水の電気分解により、電気分解部26に設けられた図示しない電極の陰極側から水素が生成され陽極側から酸素が生成される。   In the hydrogen production apparatus 1 </ b> B of the second embodiment, the heat medium S that has recovered the decay heat of the spent nuclear fuel W is directly converted into electric energy by the thermoelectric conversion unit 25. The electrolysis unit 26 connected to the thermoelectric conversion unit 25 electrolyzes the water supplied from the raw material supply unit 22 by the electricity supplied from the thermoelectric conversion unit 25. By the electrolysis of water, hydrogen is generated from the cathode side of an electrode (not shown) provided in the electrolysis section 26 and oxygen is generated from the anode side.

第2実施形態では、電気エネルギーを利用して水素を生成するので、電気分解部26での電気分解法としてアルカリ水電解法や固体高分子電解質水電解法を利用すると、比較的に高温度の熱源が不要になるので、熱媒体Sを高温度に設定することが困難な原子炉から取り出される使用済核燃料を利用できるようになる。   In the second embodiment, since hydrogen is generated using electric energy, if an alkaline water electrolysis method or a solid polymer electrolyte water electrolysis method is used as an electrolysis method in the electrolysis unit 26, a relatively high temperature heat source is generated. Since it becomes unnecessary, it becomes possible to use spent nuclear fuel taken out from a nuclear reactor in which it is difficult to set the heat medium S to a high temperature.

(第3実施形態)
図4は、第3実施形態の水素製造装置を示す全体構成図である。
この水素製造装置1Cは、前記水素製造装置1Aの反応部21の後段すなわち第1の流路11aにタービン発電部31を備える構成である。このタービン発電部31は、第1の流路11aの途中に設けられ、タービンと発電機とボイラ(いずれも図示せず)などで構成されている。タービンは、例えば蒸気タービンであり、ボイラによって熱媒体Sの熱を利用して水を加熱して蒸気を生成し、この蒸気によって回転駆動される。このときの蒸気タービンの回転トルクによって発電機が回転駆動されて電気が生成される。
(Third embodiment)
FIG. 4 is an overall configuration diagram showing a hydrogen production apparatus according to the third embodiment.
This hydrogen production apparatus 1C is configured to include a turbine power generation unit 31 in the rear stage of the reaction unit 21 of the hydrogen production apparatus 1A, that is, the first flow path 11a. The turbine power generation unit 31 is provided in the middle of the first flow path 11a, and includes a turbine, a generator, a boiler (all not shown), and the like. The turbine is, for example, a steam turbine, which generates heat by using the heat of the heat medium S by a boiler to generate steam, and is rotationally driven by the steam. At this time, the generator is rotated by the rotational torque of the steam turbine to generate electricity.

図4に示す実施形態では、タービン発電部31を搭載することにより、水素の製造とともに発電を行うことができるようになり、使用済核燃料Wの崩壊熱を損なうことなく利用範囲を広げることができる。また、タービン発電部31を反応部21の後段に設けることにより、熱回収手段10から熱回収した高温の熱媒体Sを直接に反応部21に導入することができるので、水素生成反応においてより高温の熱が必要な反応形態の反応部21に好適に利用できる。   In the embodiment shown in FIG. 4, by installing the turbine power generation unit 31, power generation can be performed together with hydrogen production, and the use range can be expanded without impairing the decay heat of the spent nuclear fuel W. . Further, by providing the turbine power generation unit 31 at the subsequent stage of the reaction unit 21, the high-temperature heat medium S recovered from the heat recovery means 10 can be directly introduced into the reaction unit 21, so that the temperature of the hydrogen generation reaction is higher. It can be suitably used for the reaction section 21 in a reaction form that requires a large amount of heat.

(第4実施形態)
図5は、第4実施形態の水素製造装置を示す全体構成図である。
この水素製造装置1Dは、タービン発電部32を反応部21の前段すなわち第2の流路11bに設けた構成である。このタービン発電部32は、前記タービン発電部31と同じ構成であり、タービンと発電機とボイラなどで構成されている。
(Fourth embodiment)
FIG. 5 is an overall configuration diagram showing a hydrogen production apparatus according to the fourth embodiment.
This hydrogen production apparatus 1D has a configuration in which the turbine power generation unit 32 is provided in the previous stage of the reaction unit 21, that is, in the second flow path 11b. The turbine power generation unit 32 has the same configuration as the turbine power generation unit 31 and includes a turbine, a generator, a boiler, and the like.

図5に示す実施形態では、タービン発電部32を反応部21の前段に設けることにより、熱回収手段10で熱回収した高温の熱媒体Sの熱がタービン発電部32によって奪われてより低い温度の熱媒体Sが反応部21に導入される。よって、低めの温度の熱源で水素を生成する反応形態を有する反応部21に好適に利用できる。   In the embodiment shown in FIG. 5, by providing the turbine power generation unit 32 in the preceding stage of the reaction unit 21, the heat of the high-temperature heat medium S recovered by the heat recovery means 10 is taken away by the turbine power generation unit 32, so that the temperature is lower. The heat medium S is introduced into the reaction section 21. Therefore, it can utilize suitably for the reaction part 21 which has the reaction form which produces | generates hydrogen with the heat source of a low temperature.

第3および第4実施形態に示すように、本実施形態では、タービン発電部31,32を設けることにより、前記した実施形態のように熱媒体Sの流量を調整しなくても反応部21に与える熱の温度を制御できるようになる。その結果、反応部21に導入する熱の温度を制御する機構を設ける必要がないので、水素製造装置1C,1Dの構成を簡略化することができる。   As shown in the third and fourth embodiments, in the present embodiment, by providing the turbine power generation units 31 and 32, the reaction unit 21 can be provided without adjusting the flow rate of the heat medium S as in the above-described embodiment. It becomes possible to control the temperature of the heat to be given. As a result, it is not necessary to provide a mechanism for controlling the temperature of the heat introduced into the reaction unit 21, so that the configuration of the hydrogen production apparatuses 1C and 1D can be simplified.

また、本実施形態において、第3および第4実施形態に示すように、タービン発電部31,32を設けて発電する場合、反応部21での反応において例えば電気分解を組み合わせると、反応部21における水素の生産効率を上げることができる場合があり、また反応部21で必要な温度を下げることができる可能性がある。また、反応部21で必要な温度を下げることができると、反応部21を構成する材料として高コストな材料を使用する必要がなくなり、また反応部21を構成する装置の劣化を抑制することができる。   In the present embodiment, as shown in the third and fourth embodiments, when the turbine power generation units 31 and 32 are provided to generate power, for example, in the reaction in the reaction unit 21, when electrolysis is combined, There are cases where the production efficiency of hydrogen can be increased, and there is a possibility that the temperature required in the reaction section 21 can be lowered. Moreover, if the temperature required in the reaction unit 21 can be lowered, it is not necessary to use a high-cost material as the material constituting the reaction unit 21, and it is possible to suppress deterioration of the apparatus constituting the reaction unit 21. it can.

また、使用済核燃料Wの崩壊熱のみでは熱媒体Sを反応部21に必要な温度まで加熱できない場合に、タービン発電部31の電力を併用して熱媒体Sを反応部21に必要な温度まで上昇させるようにしてもよい。すなわち、本実施形態では、使用する水素製造方式における要求熱量に応じて適宜構成を変えることができる。   In addition, when the heat medium S cannot be heated to the temperature required for the reaction unit 21 only by the decay heat of the spent nuclear fuel W, the electric power of the turbine power generation unit 31 is also used to bring the heat medium S to the temperature required for the reaction unit 21. You may make it raise. That is, in the present embodiment, the configuration can be appropriately changed according to the required heat amount in the hydrogen production method to be used.

(第5実施形態)
図6は、第5実施形態の水素製造装置を示す全体構成図である。
この水素製造装置1Eは、第1実施形態の熱回収手段10と熱供給手段15との間に中間熱交換器40を設けたものである。中間熱交換器40は、熱交換部40a及び熱交換部40bと、流路41(第1の流路41a,第2の流路41b,第3の流路41c,第4の流路41d)とを有している。熱回収手段10と熱交換部40aとは、下部同士が、加熱前の熱媒体Sが流れる第1の流路41aで接続され、上部同士が、加熱後の熱媒体Sが流れる第2の流路41bで接続されている。また、熱交換部40bと熱供給手段15とは、下部同士が、熱交換前の前記熱媒体Sとは異なる熱媒体Saが流れる第3の流路41cで接続され、上部同士が、熱交換後の熱媒体Saが流れる第4の流路41dで接続されている。また、第3の流路41cの途中には、循環ポンプ13が設けられており、中間熱交換器40で熱交換された熱媒体Saは、第4の流路41dを経由して熱供給手段15に供給され、熱供給手段15で反応部21に熱を供給した熱媒体Saは、第3の流路41cを経由して熱交換部40bに戻るようになっている。
(Fifth embodiment)
FIG. 6 is an overall configuration diagram showing a hydrogen production apparatus according to the fifth embodiment.
This hydrogen production apparatus 1E is provided with an intermediate heat exchanger 40 between the heat recovery means 10 and the heat supply means 15 of the first embodiment. The intermediate heat exchanger 40 includes a heat exchanging unit 40a and a heat exchanging unit 40b, and a channel 41 (first channel 41a, second channel 41b, third channel 41c, and fourth channel 41d). And have. The heat recovery means 10 and the heat exchanging unit 40a are connected at a lower portion by a first flow path 41a through which the heat medium S before heating flows, and at the upper portions, a second flow through which the heat medium S after heating flows. They are connected by a path 41b. Further, the lower portions of the heat exchanging unit 40b and the heat supply means 15 are connected by a third flow path 41c through which a heat medium Sa different from the heat medium S before heat exchange flows, and the upper parts are heat exchanged. It is connected by a fourth flow path 41d through which the subsequent heat medium Sa flows. In addition, the circulation pump 13 is provided in the middle of the third flow path 41c, and the heat medium Sa heat-exchanged by the intermediate heat exchanger 40 passes through the fourth flow path 41d to supply heat. 15 and the heat medium Sa supplied with heat to the reaction part 21 by the heat supply means 15 returns to the heat exchange part 40b via the third flow path 41c.

なお、中間熱交換器40では、熱媒体Sと熱媒体Saとが互いに交じり合わないようになっている。また、循環ポンプ13は、前記した循環ポンプ12と同様な出力調整可能な機構が設けられて、熱媒体Saの流量(流速)を変化できるものでもよい。   In the intermediate heat exchanger 40, the heat medium S and the heat medium Sa are not mixed with each other. Further, the circulation pump 13 may be provided with a mechanism capable of adjusting the output similar to the above-described circulation pump 12 and can change the flow rate (flow velocity) of the heat medium Sa.

第5実施形態では、使用済核燃料Wから発する崩壊熱によって加熱され、高温状態となった熱媒体Sは、第2の流路41bを通って中間熱交換器40の熱交換部40aに送られる。そして、中間熱交換器40では、熱媒体Sが有する熱が熱交換部40b内を流れる熱媒体Saに伝達されて、熱媒体Saが高温状態となる。高温の熱媒体Saは、循環ポンプ13の動力によって第4の流路41dを通って熱供給手段15に送られる。反応部21では、熱媒体Saが有する熱を熱源として水素生成が行われる。そして、熱供給手段15から排出された熱媒体Saは、第3の流路41cを通って熱交換部40bに戻り、熱交換部40aから再び熱を受け取る。   In the fifth embodiment, the heat medium S that has been heated by the decay heat generated from the spent nuclear fuel W and has reached a high temperature state is sent to the heat exchange unit 40a of the intermediate heat exchanger 40 through the second flow path 41b. . In the intermediate heat exchanger 40, the heat of the heat medium S is transmitted to the heat medium Sa flowing in the heat exchange unit 40b, and the heat medium Sa becomes a high temperature state. The high-temperature heat medium Sa is sent to the heat supply means 15 through the fourth flow path 41 d by the power of the circulation pump 13. In the reaction unit 21, hydrogen is generated using the heat of the heat medium Sa as a heat source. And the heat medium Sa discharged | emitted from the heat supply means 15 returns to the heat exchange part 40b through the 3rd flow path 41c, and receives heat again from the heat exchange part 40a.

第5実施形態のように中間熱交換器40を設けることにより、放射性物質に汚染された熱媒体Sが直接に反応部21側に供給されることがないので、より安全なシステムとすることができる。   By providing the intermediate heat exchanger 40 as in the fifth embodiment, the heat medium S contaminated with the radioactive material is not directly supplied to the reaction unit 21 side, so that a safer system can be obtained. it can.

なお、本発明は、前記した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変更することができる。例えば、熱源としては、原子炉から取り出した使用済核燃料に限定されるものではなく、使用済核燃料を再処理した後に残るいわゆる高レベル放射性廃棄物と称される核廃棄物であってもよい。または、それ以外の崩壊熱を放出する使用後の核廃棄物であってもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the heat source is not limited to the spent nuclear fuel taken out from the nuclear reactor, but may be nuclear waste called so-called high-level radioactive waste that remains after the spent nuclear fuel is reprocessed. Or the nuclear waste after use which discharge | releases the decay heat other than that may be sufficient.

また、第3および第4実施形態において、タービン発電部31,32を反応部21の後段と前段に搭載したものについて説明したが、第2実施形態の熱電変換部25の後段や前段にタービン発電部を搭載する構成であってもよい。また、熱回収手段10と熱電変換部25との間に中間熱交換器を設ける構成であってもよい。   In the third and fourth embodiments, the turbine power generation units 31 and 32 are installed in the subsequent stage and the previous stage of the reaction unit 21, but the turbine power generation is performed in the subsequent stage and the previous stage of the thermoelectric conversion unit 25 of the second embodiment. The structure which mounts a part may be sufficient. Moreover, the structure which provides an intermediate | middle heat exchanger between the heat recovery means 10 and the thermoelectric conversion part 25 may be sufficient.

第1実施形態の水素製造装置を示す全体構成図である。It is a whole lineblock diagram showing the hydrogen production device of a 1st embodiment. 熱回収手段の内部構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the internal structure of a heat recovery means. 第2実施形態の水素製造装置を示す全体構成図である。It is a whole block diagram which shows the hydrogen production apparatus of 2nd Embodiment. 第3実施形態の水素製造装置を示す全体構成図である。It is a whole block diagram which shows the hydrogen production apparatus of 3rd Embodiment. 第4実施形態の水素製造装置を示す全体構成図である。It is a whole block diagram which shows the hydrogen production apparatus of 4th Embodiment. 第5実施形態の水素製造装置を示す全体構成図である。It is a whole block diagram which shows the hydrogen production apparatus of 5th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1A〜1E 水素製造装置
2 容器
10 熱回収手段
15 熱供給手段
11a 第1の流路
11b 第2の流路
12,13 循環ポンプ(調整手段)
20A〜20B 水素生成手段
21 反応部
22 原料供給部
23 水素回収部
25 熱電変換部
26 電気分解部
31,32 タービン発電部
40 中間熱交換器
S,Sa 熱媒体
W 使用済核燃料
1A to 1E Hydrogen production apparatus 2 Container 10 Heat recovery means 15 Heat supply means 11a First flow path 11b Second flow path 12, 13 Circulation pump (adjustment means)
20A to 20B Hydrogen generating means 21 Reaction unit 22 Raw material supply unit 23 Hydrogen recovery unit 25 Thermoelectric conversion unit 26 Electrolysis unit 31, 32 Turbine power generation unit 40 Intermediate heat exchanger S, Sa Heat medium W Used nuclear fuel

Claims (7)

使用済核燃料または崩壊熱を発する核廃棄物から放出される熱を所定の熱媒体を介して回収する熱回収手段と、前記熱回収手段で回収された熱を利用して水素を生成する水素生成手段と、前記水素生成手段に前記熱回収手段で回収された熱を供給する熱供給手段と、前記熱回収手段と前記熱供給手段との間で前記熱媒体を循環させる流路とを備えることを特徴とする水素製造装置。   Heat recovery means for recovering heat released from spent nuclear fuel or nuclear waste that generates decay heat via a predetermined heat medium, and hydrogen generation using the heat recovered by the heat recovery means to generate hydrogen Means, a heat supply means for supplying heat recovered by the heat recovery means to the hydrogen generation means, and a flow path for circulating the heat medium between the heat recovery means and the heat supply means. A hydrogen production apparatus characterized by 前記水素生成手段は、熱分解法、改質法、および熱化学法のいずれか1種の方法により水素を生成する反応部を有することを特徴とする請求項1に記載の水素製造装置。   The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein the hydrogen generation unit includes a reaction unit that generates hydrogen by any one of a thermal decomposition method, a reforming method, and a thermochemical method. 前記水素生成手段は、前記熱を電気に変換する熱電変換部と、前記熱電変換部で生成された電気を利用して水の電気分解法により水素を生成する電気分解部とを有することを特徴とする請求項1に記載の水素製造装置。   The hydrogen generation unit includes a thermoelectric conversion unit that converts the heat into electricity, and an electrolysis unit that generates hydrogen by an electrolysis method of water using electricity generated by the thermoelectric conversion unit. The hydrogen production apparatus according to claim 1. 前記流路には、前記熱媒体の流量を調整可能な調整手段が設けられていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の水素製造装置。   The hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein an adjustment means capable of adjusting a flow rate of the heat medium is provided in the flow path. 前記熱供給手段から前記熱回収手段に至る前記流路には、前記熱供給手段から排出された後の熱を利用して発電を行うタービン発電部が設けられていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の水素製造装置。   The turbine flow path that extends from the heat supply unit to the heat recovery unit is provided with a turbine power generation unit that generates power using heat discharged from the heat supply unit. The hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 4. 前記熱回収手段から前記熱供給手段に至る前記流路には、前記熱供給手段に供給する前の熱を利用して発電を行うタービン発電部が設けられていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の水素製造装置。   2. The turbine power generation unit that generates power using heat before being supplied to the heat supply unit is provided in the flow path from the heat recovery unit to the heat supply unit. The hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 4. 前記熱回収手段と前記熱供給手段との間には、中間熱交換器が設けられていることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の水素製造装置。   The hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein an intermediate heat exchanger is provided between the heat recovery means and the heat supply means.
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