JP2013087302A - 原子力発電所の海水冷却水の利用方法 - Google Patents
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Abstract
原発1基で100万kWの電力を得るためには1日東京ドーム5杯分の海水を7℃上昇させて海洋放棄する。この大量の高温水が魚貝類や気象に与える影響は計り知れないし、豊富な蓄熱された媒体を利用しないのも非経済的である。そこで、冷却効果は維持しながら、廃水海水に蓄熱されたエネルギーを利用して、化石燃料の代替エネルギーと成る金属ナトリウムの製造を行うことが、本発明が解決しようとする課題である。
【解決手段】
冷却海水が貫流する復水器の中の細管を上部と下部の2系統に分け、上部細管中を流れる塩水の速度を遅くして海水への蓄熱量を多くして高温海水を作り蒸留水と濃縮塩水とを効率良く回収する。他方、下部細管では流れる海水の速度を早くして循環排水量を多くして効率の良い冷却を行い海洋放棄する。これにより復水器の役目と資源回収の役目を同時に満たすことができる。
【選択図】 図2
Description
請求項2記載により得られた金属ナトリウムに水を注ぐと水素が発生し、副産物として苛性ソーダができる。この水素は水素燃焼コンバインドサイクル方式による水素燃焼発電用に使い、該苛性ソーダは再び溶融塩電解して金属ナトリウムを製造する。ここで重要なことは、水素を作り出す燃料としての金属ナトリウムを全く供給しないことである。供給するのは電力だけである。言い換えれば水素発生の副産物に電力を与えれば水素の元である金属ナトリウムが再生産できることである。この金属ナトリウムを加水分解して水素を発生させる工程を反復させて使用することが本発明の特徴であり、核燃料サイクルと同様に燃料の供給が全く無いエネルギーサイクルであり、違いは核燃料サイクルは高レベル核廃棄物が無い核燃料を特徴とする水素及びナトリウムによる燃料サイクルの形成する方法である。
水素燃焼の廃熱でボイラーの中を循環する水を熱し、ここで作られた水蒸気で原発用タービンに連動した発電機を回転させ電力を得るのである。水蒸気タービンを回した後の水蒸気は復水器において細管の中を貫流する海水で冷却され、水になってボイラーに戻る。一方、細管を出た高温海水は電気分解工場で減圧蒸留され、真水と濃縮海水として分離回収。この濃縮海水を水溶液電気分解して、苛性ソーダを製造する。水素発生装置でも副産物として苛性ソーダが生成されるため、これら苛性ソーダは苛性ソーダ貯蔵庫に貯蔵された後、余剰電力で溶融塩電気分解を行い、ナトリウムを再生産し発電用“水素の元”を製造する。そして、原発が繋ぎ期間を全うする2025年頃にはタービンの耐熱材料も開発され、2,000℃以上、いや2,500℃に近い温度での発電も可能に成っているかもしれない。
本願発明は、沸騰水型原子炉の燃料棒又は火力発電用ボイラーで発生した熱により得られた水蒸気、または加圧水型原子炉の水蒸気発生器から発生した水蒸気は、発電用タービンを回転後、水蒸気入り口1から復水器2に入り低温水出口3から出て、夫々の発熱源に戻る1次冷却水4のループと、海から汲みあげた海水(2次冷却水)5は上部細管6と下部細管7の2方向に分かれ、下部細管7を貫流した冷たい海水(2次冷却水)5は温排水8となり海に放水される。他方、真水と濃縮海水を回収するための海水(2次冷却水)5は上部細管6に入る前に、フラッシュ減圧蒸留缶9の中の凝縮用コイル10を通り、上部細管6に入り、1次冷却水4で加熱され50〜100℃の高温海水11に蓄熱されてフラッシュ減圧蒸留缶9に入る。このフラッシュ減圧蒸留缶9は、高温海水11の温度に応じた飽和水蒸気圧に対応し減圧され、50℃では100mmHg、80℃では350mmHg、90℃では510mmHg、100℃では760mmHg(1気圧)の気圧で発生した水蒸気(濃縮塩水からの水蒸気)12はコイル10で冷却され、凝縮して露結した蒸留水13は真水受け皿14で集められ真水回収容器15に回収される。一方減圧蒸留により脱水された高温海水11は約20〜30%の高濃度濃縮塩水16になり、電気分解工場17に送られる。この20〜30%濃縮塩水は脱Ca,脱Mg,イオン交換膜で硫酸分離後、30%塩水を水溶液電気分解し、苛性ソーダを製造し、この苛性ソーダを熔融塩電気分解してナトリウム22を製造する。これら復水器内の海水冷却用細管を上下細管に2分して金属ナトリウムを製造する施設は無人島または孤島、島嶼または船舶にも適用することができる。
本願発明は沸騰水型原子炉18の燃料棒19又は火力発電用ボイラーで発生した熱により得られた水蒸気1、または加圧水型原子炉の水蒸気発生器から発生した水蒸気1は、発電用タービン20を回転させて発電機21を回した後、水蒸気4を水に戻す役割を持つ復水器2に導入され、復水器2の中で冷却されて水に変換された後、復水器の出口3から出て、夫々の発熱源18に戻る。一方、復水器の中に冷却水として海水を貫流される冷却用細管系統が、冷却水の温度により復水器内の中央部上下で低温冷却水が移送される下部配管7と高温冷却水が移送される上部細管6に二分割させた位置に設備し、下部細管7を貫流する冷却海水は冷却のみの目的として復水器内で熱交換されて蓄熱された温排水8は海に放水する。 一方、上部細管6を貫流した温海水は、50℃-100℃に蓄熱された後、多段式フラッシュ蒸留缶で減圧蒸留して蒸留水と、濃縮海水に分離回収し、回収された濃縮塩水16は電気分解工場17に送られ、そこでCa分を分離する目的で、蓚酸ソーダ((COONa)2)あるいは蓚酸((COOH)2)を注ぎ、蓚酸カルシウム(CaC2O4)として沈殿除去する。Ca分が除去された濾液からマグネシウム(Mg)を遊離させるために苛性ソーダ(NaOH)を注ぎ、水酸化マグネシウム((Mg(OH)2)を沈殿除去する。これに塩酸(HCl)を注ぎ塩化マグネシウム(MgCl2)にした後、熔融塩電気分解を行い、マグネシウム(Mg)を製造する。一方、脱マグネシウムされた濾液の中から硫酸(H2SO4)を取り出すために、その濾液を塩酸(HCl)で中和し、イオン交換膜法(電気透析)により透過分離する。ここで30%まで濃縮された濃縮海水を水溶液電気分解を行い、苛性ソーダ(NaOH)を製造する。この苛性ソーダの大部分は、さらに熔融塩電気分解を行い、金属ナトリウム(Na)22を製造して備蓄し、火力発電所に送る。
2 開復水器
3 低温水出口
4 夫々の発熱源に戻る1次冷却水
5 海から汲みあげた海水(2次冷却水)
6 上部細管
7 下部細管
8 温排水
9 フラッシュ減圧蒸留缶
10 凝縮用コイル
11 50〜100℃の高温海水
12 水蒸気(濃縮塩水からの水蒸気)
13 凝縮して露結した蒸留水
14 真水受け皿
15 真水回収容器
16 20〜30%の高濃度濃縮塩水
17 電気分解工場
18 原子炉
19 仰燃料棒
20 発電用タービン
21 発電機
22 金属ナトリウム(Na)
23 Nd・YAGレーザー
24 合成石英ガラス製入射窓
25 亀裂部(被溶接部)
26 レーザー光を任意の場所に走査可能な反射鏡(集光できる凹面鏡)
27 風車タワー
28 プロペラ型風車
29 回転軸
30 空気コンプレッサー
31 ナセル
32 圧搾空気貯蔵庫容器(タンク)
33 圧縮空気輸送配管
34 圧力調整弁
35 発電所
36 空気タービン
37 発電機
38 水素燃焼コンバインドサイクル発電施設
39 水素発生施設
40 真水
41 水素
42 酸素
43 燃焼器
44 ガスタービン
45 ボイラー
46 苛性ソーダ
47 苛性ソーダ貯蔵庫
48 熱電子半導体温度差発電管
49 熱電子発電素子(ゼーベック素子)
50 表層海水(冷却)
51 熱電子半導体温度差発電管排水出口
Claims (8)
- 沸騰水型原子炉又は火力発電用ボイラーからの熱源により得られた水蒸気若しくは加圧水型原子炉の水蒸気発生器から発生した水蒸気を発電用タービンに還流させ、タービンを回転させ電力を得る手段において、タービンを回転させた後の水蒸気を、復水器内で水に還元させる手段及び冷却水としての海水を濃縮する手段が、該復水器内で冷却水としての海水が還流される冷却用細管系統を、冷却水の排出温度により復水器内略中央部上下で低温冷却水が排出される下部細管部と高温冷却水が排出される上部細管部に二分割させ、前記下部細管部を貫流する冷却海水は冷却のみの目的に供し、復水器内での使用後は排水とし、前記上部細管部を貫流される温海水はタービン回転後の水蒸気と復水器内で熱交換した冷却水となる海水が50℃-100℃の温海水になり、更に、減圧蒸留して真水及び濃縮塩水(20-30%)を得、かつ該濃縮海水を水溶液電解して苛性ソーダを製造することを特徴とする原子力発電に併設された復水器における冷却用海水の利用方法。
- 請求項1記載により得られた濃縮塩水(20-30%)を電気分解工場に移送し、不純物としてのカルシウムイオン、マグネシウムイオン及びイオン交換膜で硫酸イオンを分離、除去後水溶液電解により苛性ソーダを製造し、該カセイソーダを溶融塩電解して金属ナトリウムを得ることを特徴とする請求項1記載の原子力発電に併設された復水器における冷却用海水の利用方法。
- 請求項2記載により得られた金属ナトリウムを加水分解することにより水素及び副産物の苛性ソーダを製造し、該水素は水素燃焼コンバインドサイクル方式による水素燃焼発電用に供され循環、かつ該苛性ソーダ及び/又は請求項1記載により得られた苛性ソーダは溶融塩電解により再度金属ナトリウムを製造、これを反復させて使用することを特徴とする水素及びナトリウム燃料サイクルの形成方法。
- 原子力発電における原子炉の運転停止時、定期点検時及び/又は収束時あるいは廃炉に伴い、原子炉の代替となる水素燃焼コンバインドサイクル発電を導入するに際し、圧縮酸素又は圧縮空気を水素発生容器内で請求項3記載の金属ナトリウムの加水分解で得られた水素とを燃焼器内で燃焼させた燃焼圧により前記発電機と直結させたガスタービンを回転させた後の排ガスを前記ガスタービンと前記圧縮機とを介在させて配備したボイラーの加熱源として用い、該ボイラーで生成した水蒸気で既存の原子力発電に付設されていた蒸気タービンと直結させた発電機の回転軸を駆動させた後、既存の原子力発電に付設されていた請求項1記載の復水器の上部細管部から排出した濃縮塩水から苛性ソーダを製造し、下部細管内を貫流させる海水冷却で水に戻し前記ボイラーを循環させることによりガスタービン発電方式を水蒸気タービン方式に付加させることにより、従来の原子力発電による発電量以上の電力を得ることを特徴とする水素燃焼コンバインドサイクル方式による発電方法。
- 請求項1記載の復水器を備えた既存の原子力発電施設の電力を金属ナトリウム製造に特化させ、該原子力発電施設を船舶上若しくは無人島または孤島、島嶼に配設させることを特徴とする既存の原子力発電による金属ナトリウム製造施設。
- 前記復水器内に敷設された冷却水貫流用の細管若しくは水蒸気発生機器内の細管の損傷を修復する手段が前記復水器若しくは前記水蒸気発生機器の外壁の任意の位置に設けたNd・YAGレーザー光が透過する合成石英ガラスからなるレーザー入射窓からNd・YAGレーザー光を復水器内部若しくは水蒸気発生内部の細管の損傷箇所に集光照射可能とする任意の位置及び角度、かつ、複数の損傷箇所に万遍なくNd・YAGレーザー光が照射するように煽り可能な複数個の平面または凹面からなる水中溶接用反射鏡を配備させ、該水中溶接用反射鏡のNd・YAGレーザー光が反射する反射鏡表面は、シリコーンオイル光酸化膜で被覆されたことを特徴とする復水器内又は加圧水型原子炉の水蒸気発生器に配備されることを特徴とする損傷した細管のNd・YAGレーザー光による修復方法。
- 火力発電又は原子力発電において貫流する冷却水を必要としない発電手段が、発電機と直結したタービンを回転させる駆動力となる圧縮空気を得る手段で、予め洋上若しくは沿岸又は島嶼及び陸上に設けられた複数基からなる風車タワー部の風車の回転と連動させたナセル部で圧縮された空気をタワー内部の圧縮空気タンクに導き、夫々の風車タワーの圧縮空気タンクからの圧縮空気を圧縮空気輸送配管で一堂に集め、集められた圧縮空気で該タービンを回転させることを特徴とする圧縮空気により電力を得る方法。
- 請求項1記載による復水器下部細管部から排出される温排水を更に冷却し沖合で放水させるために前記復水器下部細管部の温排水出口部に延長管となる二重管構造体を接続し、該二重管構造体の内管となる外壁に複数枚のゼーベック素子を配列し、内管を貫流する温排水と該二重管構造体外管外壁と接触する表層海水との間の温度差をゼーベック素子による熱電子半導体温度差発電を行ない、かつ該ゼーベック素子の発電電力容量を増加させる手段として前記温排水の熱を該ゼーベック素子に吸収させることにより前記二重管構造体の熱電子半導体温度差発電管温排水出口における放水温度と表層海水との温度差を7℃以下に抑えることを特徴とする請求項1記載の原子力発電に併設された復水器における下部細管からの温排水から電力を得ることにより熱電子半導体温度差発電管温排水出口における放水温度を降下させる方法。
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