JP4987375B2 - Hydrogen production system and method - Google Patents
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Description
本発明は、水素製造においてトリチウムの透過を抑制できる水素製造システム及びその方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen production system and method for suppressing permeation of tritium in hydrogen production.
現在、水素は、化石資源をエネルギー源として、または、原料に化石資源を用いて製造されている。このことは、二酸化炭素等を排出しない環境に優しいエネルギー利用にあるという水素エネルギーの導入理念とは矛盾している。この矛盾を解決するためには、エネルギー源として自然エネルギーもしくは原子力、原料としては水だけを利用して製造する必要がある。 Currently, hydrogen is produced using fossil resources as energy sources or using fossil resources as raw materials. This contradicts the concept of introducing hydrogen energy, which is the use of environmentally friendly energy that does not emit carbon dioxide. In order to resolve this contradiction, it is necessary to produce using only natural energy or nuclear energy as an energy source and water as a raw material.
そのひとつの方法として、原子力エネルギーを利用した水素製造が注目を浴びており、中でも高温ガス炉(HTTR)による水素製造が、最も有望な製造法として、研究開発が進められている(例えば、特許文献1参照)。 As one of the methods, hydrogen production using nuclear energy is attracting attention, and hydrogen production using a HTTR is the most promising production method (for example, patents). Reference 1).
このHTTRを利用した水素製造(水蒸気改質法)システムは、高温ガス炉(HTTR)と水素製造システムとから構成される。高温ガス炉より排出された熱は、中間熱交換器を経由して2次系ヘリウムガスへ熱交換が行われ、メタンの水蒸気改質反応、蒸気製造等の熱源として使用される。水素製造システムにおける水蒸気改質反応は、水蒸気改質器において行われる。この水蒸気改質器の反応管の外側を2次系ヘリウムガス、内側を原料ガス及び生成ガスからなるプロセスガスが流れ、この2次系ヘリウムガスからの熱が供給されて水素を製造する。
上述した原子力プラントの熱を利用した水素製造に関していずれの場合にも、水素の同位体であるトリチウムを取り扱う必要がある。このトリチウムは、放射性元素であり、人体への影響が懸念されているため、可能な限りプラント外に排出せず、プラント内に閉じ込める必要がある。 In any case regarding hydrogen production using the heat of the nuclear power plant described above, it is necessary to handle tritium, which is an isotope of hydrogen. This tritium is a radioactive element, and there is a concern about the influence on the human body. Therefore, it is necessary to confine the tritium in the plant without discharging it as much as possible.
しかしながら、このトリチウムは透過する特性を持つため、中間熱交換器の伝熱管や水蒸気改質器の触媒管内外ではトリチウムが通過し、製造された水素に混入する恐れがある。これらの装置には、強度、加工性および耐食性が必要となるため、金属材料を利用することが望ましいが、金属はトリチウムの透過を促す結果となるため、透過を低減する対策を講じる必要がある、という課題があった。 However, since this tritium has a permeation characteristic, tritium may pass through inside and outside the heat transfer tube of the intermediate heat exchanger and the catalyst tube of the steam reformer, and may be mixed into the produced hydrogen. Since these devices require strength, workability, and corrosion resistance, it is desirable to use a metal material. However, since metal promotes the transmission of tritium, it is necessary to take measures to reduce the transmission. There was a problem.
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、水蒸気改質反応においてトリチウムの拡散を抑制し、かつトリチウムの透過を防ぐことのできる水素製造システム及びその方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a hydrogen production system and method for suppressing diffusion of tritium in a steam reforming reaction and preventing permeation of tritium. .
上記目的を達成するため、本発明の水素製造システムにおいては、原子力プラントより供給された熱の熱交換を行う熱交換器と、この熱交換器で熱交換を行った熱を用いて水素を製造する水蒸気改質器と、を備え、前記熱交換器又は水蒸気改質器内におけるトリチウムを含む冷却材と接触する内部構造物が、内側層と外側層が結晶構造の異なる材料を2種類以上組み合わせて作製される金属材料材を用いて作製されること、を特徴とするものである。
In order to achieve the above object, in the hydrogen production system of the present invention, hydrogen is produced using a heat exchanger that performs heat exchange of heat supplied from a nuclear power plant, and heat that is exchanged by the heat exchanger. An internal structure that contacts the heat exchanger or a coolant containing tritium in the steam reformer, and the inner layer and the outer layer combine two or more materials having different crystal structures. It is produced using the metal material material produced in this way.
また、上記目的を達成するため、本発明の水素製造方法においては、原子力プラントより供給された熱を熱交換熱器を用いて熱交換する熱交換ステップと、この熱交換器で熱交換を行った熱を利用して水蒸気改質器を用いて水素を製造する水蒸気製造ステップと、を備え、内側層と外側層が結晶構造の異なる材料を2種類以上組み合わせて作製される金属材料材を用いて作製された熱交換器又は水蒸気改質器の内部構造物内をトリチウムが含入した流体を流動させることによりトリチウムの透過を抑制するトリチウム透過抑制ステップと、を有することを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, in the hydrogen production method of the present invention, a heat exchange step of exchanging heat supplied from a nuclear power plant using a heat exchange heat exchanger, and heat exchange using the heat exchanger are performed. and heat by using and a steam production step for producing hydrogen by using a steam reformer, a metal material member inner and outer layers are fabricated in combination of two or more materials having different crystal structures A tritium permeation suppression step of suppressing the permeation of tritium by flowing a fluid containing tritium in the internal structure of the heat exchanger or steam reformer manufactured in the above. is there.
本発明の水素製造システム及びその方法によれば、金属材料内における水素の拡散は格子拡散であることを利用し、トリチウムを透過する恐れのある配管に対して、内側層と外側層が結晶構造の異なる金属材料材を組み合わせることによって、トリチウムの拡散を抑制し、トリチウムの透過を防ぐことができる。 According to the hydrogen production system and the method of the present invention, the inner layer and the outer layer have a crystal structure with respect to piping that may permeate tritium, utilizing the fact that diffusion of hydrogen in a metal material is lattice diffusion. By combining different metal material materials , tritium diffusion can be suppressed and tritium permeation can be prevented.
以下、本発明に係る水素製造システム及びその方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。 Embodiments of a hydrogen production system and method according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、高温ガス炉2を利用した水素製造システム4の概略構成を示す構成図であり、図2は、図1の水蒸気改質器6の構成を示す縦断面図であり、図3は、図1の中間熱交換器3の構成を示す縦断面図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a schematic configuration of a hydrogen production system 4 using a
図1は、本発明の第1の実施の形態の高温ガス炉(HTTR)2を利用した水素製造システム4の概略を示す構成図である。本図に示すように、点線で囲まれた部分が原子力プラント1であり、実線で囲まれた部分が水素製造システム4である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a hydrogen production system 4 using a high-temperature gas reactor (HTTR) 2 according to a first embodiment of the present invention. As shown in this figure, the part surrounded by the dotted line is the
この原子力プラント1において、一例として、高温ガス炉(HTTR)2からの温度950℃程度の1次系ヘリウムガス2aが加熱源として利用される。この1次系ヘリウムガス2aは、熱交換器である中間熱交換器3に導出され、水素製造システム4より送られてくる2次系ヘリウムガス4aと熱交換を行い、温められた2次系ヘリウムガス4aはそのまま高温隔離弁5を経由して水蒸気改質器6に導出される。このように、高温ガス炉2から供給された熱は、中間熱交換器3を介して2次系ヘリウムガス4aへ熱交換が行われ、メタンの水蒸気改質反応、蒸気製造等の熱源として使用される。
In this
上記水素製造システム4における水蒸気改質反応は、水蒸気改質器6において行われる。この水蒸気改質器6には、原料ガス貯蔵タンク41から熱交換器42を経由してメタン等の原料ガス41aが導入される。また、蒸気発生器7から熱交換器43を経由して水7aが供給される。この水蒸気改質器6おいて、2次系ヘリウムガス系8を経由して導入され加熱された2次系ヘリウムガス4aにより、原料ガス41a及び水7aが加熱されて水素6aの製造が行われる。ここで製造された水素6aは、熱交換器42を経由して水素貯蔵タンク44に供給される。上記の高温ガス炉2より排出された1次系ヘリウムガス2aは、高温ガス炉2において中性子照射されて生じたトリチウム45を含んでいる。
The steam reforming reaction in the hydrogen production system 4 is performed in the steam reformer 6. A raw material gas 41 a such as methane is introduced from the raw material
図2は、図1の水蒸気改質器の実施の形態の説明図で、(a)はその縦断面図、(b)はそのA部拡大断面図である。 2A and 2B are explanatory views of the embodiment of the steam reformer of FIG. 1, wherein FIG. 2A is a longitudinal sectional view thereof, and FIG.
本図に示すように、水蒸気改質器6の内部には、2次系ヘリウムガス4aが流動し接触する複数のヘリウム流路管10が吊下されている。2次系ヘリウムガス4aの中にトリチウム45が含入されている。このヘリウム流路管10の内部には、内部構造物である原料ガス41aが流入する反応管11(太線部分)が挿入されている。また、この反応管11の内部には、発生した水素6aが流出するバイオネット内管12が収納されている。
As shown in the figure, a plurality of
高温の2次系ヘリウムガス4aが水蒸気改質器6の下部61から導入される。この導入された2次系ヘリウムガス4aは、ヘリウム流路管10に接触しながら流れることにより熱交換して、水蒸気改質器6の中間部の配管62を経由して流出する。
A high-temperature
上述のように、ヘリウム流路管10は2次系ヘリウムガス4aにより加熱される。この加熱により、上記のヘリウム流路管10に収納された反応管11内において、原料ガス41aと水蒸気とが反応し水素6aが製造される。この製造された水素6aは、バイオネット内管12を経由して収集される。
As described above, the
このように構成された本実施の形態において、水蒸気改質器6において、原料ガス41aと蒸気発生器7(図1に示す)を通った水7aが送り込まれ、2次系ヘリウムガス4aの熱をもって水素製造が行われ、水素が供給される。すなわち、水蒸気改質器9において、反応管12の外側を2次系ヘリウムガス4aが流れ、内部構造物である反応管12の内側を原料ガス41a及び生成ガスからなるプロセスガスが流れることにより、2次ヘリウム4aから熱が供給されて水素6aが製造される。なお、この反応に係る技術は、異なる水素製造法であるISプロセスの反応器にも適用できる。
In the present embodiment configured as described above, in the steam reformer 6, the
次に、中間熱交換器3の概略構造を図3に示す。
Next, a schematic structure of the
本図に示すように、2次系ヘリウムガス4aは、内部構造物である2次系ヘリウムガス流路14を経由して中間熱交換器3の中央部に供給される。一方、高温の1次系ヘリウムガス2aは、1次系ヘリウムガス流路15を経由して、中間熱交換器3の下部63と中間部64から中間熱交換器3の内壁側に供給される。この高温の1次系ヘリウムガス2aは、内壁側を流れ隔壁を介して2次系ヘリウムガス4aに接触して熱交換が行われる。
As shown in the figure, the secondary
このように構成された本実施の形態において、この中間熱交換器3内の2次系ヘリウムガス流路14は内側に設けられ、1次系ヘリウムガスの流路15は外側に設けられ、隔壁を通じて接触し、熱交換を行っている。1次系ヘリウムガス2aに含入されているトリチウム45が2次系ヘリウムガス4aに移行する確率はこのときが最も大きい。この対応として、2次系ヘリウムガス流路14を構成する内部構造物(太線部分)は、結晶構造の異なる金属材料を2種類以上組み合わせて作製した構成材より形成される。または、酸化皮膜を付着させた金属材料を使用して形成される。
In the present embodiment configured as above, the secondary helium
本実施の形態によれば、この結晶構造の異なる金属材料を2種類以上組み合わせて作製した構成材を用いることにより、後述するように、トリチウムの移行抑制効果を得ることができる。この材料として、ステンレス鋼、ニッケル基合金、Ti合金およびモリブデンを用いることとする。 According to the present embodiment, the effect of suppressing the migration of tritium can be obtained as described later by using a constituent material produced by combining two or more metal materials having different crystal structures. As this material, stainless steel, nickel base alloy, Ti alloy and molybdenum are used.
図4は、結晶構造の相違による水素50の存在位置の説明図で、(a)は面心立方格子(fcc)における水素50の存在位置、(b)は体心立方格子(bcc)における水素50の存在位置を示す。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the location of
本図に示すように、金属材料中の水素50(●印)は、金属原子51(○印)が構成する格子間52の位置に存在するが静止しておらず、常に格子間52を移動している。図4(a)は、面心立方格子であるfccの構造を示し、図4(b)は、体心立方格子であるbccの構造を示している。本図に示すように、結晶格子によって水素50の位置は異なっている。この水素50は格子間52を移動するので異なる格子の材料を組み合わせれば格子間52の移動をし難くなるし、さらに格子間52の距離が長くなれば移動に必要な活性化エネルギー値が高くなるため、水素50の拡散速度は低下する。従って、結晶構造の異なる金属材料を組み合わせて使用すれば水素50の拡散、つまりトリチウム45の拡散を抑制することができる。トリチウム45は、水素50の同位体であるので同じ特性を持つために、水素50の挙動を抑制できればトリチウム45の挙動も抑制することが可能となる。
As shown in this figure, the hydrogen 50 (● mark) in the metal material exists at the position of the
本実施の形態によれば、ステンレス鋼及びニッケル基合金は体心立方(fcc)構造を有し、モリブデンは面心立方(bcc)構造を持つ。Fe、NiおよびCr主体の酸化皮膜は三方晶又は立方晶構造である。これら結晶構造の異なる材料および酸化皮膜を2種以上組み合わせることにより、水素の拡散を抑制することができる。 According to the present embodiment, stainless steel and nickel-based alloy have a body-centered cubic (fcc) structure, and molybdenum has a face-centered cubic (bcc) structure. The oxide film mainly composed of Fe, Ni and Cr has a trigonal or cubic structure. By combining two or more materials and oxide films having different crystal structures, hydrogen diffusion can be suppressed.
図5は、図1の中間熱交換器3の他の実施の説明図で、(a)はその縦断面図、(b)はそのB部拡大断面図である。
FIG. 5 is an explanatory view of another embodiment of the
本図に示すように、2次系ヘリウムガス流路14を構成する内部構造物(太線部分)14aの内側層16にモリブデンを配置し、外側層17にステンレス鋼を配置して、接合する。
As shown in the figure, molybdenum is disposed on the
このように構成された本実施の形態において、結晶構造の異なる材料が配置される。 In the present embodiment configured as described above, materials having different crystal structures are arranged.
結晶構造の異なる金属材料を2種類以上組み合わせて作製した構成材より形成される。または、酸化皮膜を付着させた金属材料を使用して形成される。 It is formed from a component produced by combining two or more metal materials having different crystal structures. Alternatively, it is formed using a metal material to which an oxide film is attached.
本実施の形態によれば、金属内における水素50の拡散は格子拡散であることを利用し、トリチウム45を透過する恐れのある配管に対して、結晶構造の異なる材料又は酸化皮膜を組み合わせることによって、トリチウム45の拡散を抑制し、トリチウム45の透過を防ぐことができる。このように、2次系ヘリウムガス流路14を構成する内部構造物(太線部分)の内側層16にモリブデン、外側層17にステンレス鋼というように結晶構造の異なる材料を配置し、接合すれば、水素はモリブデンからステンレス鋼に移動するのは難しくなるため、外部へ拡散しにくくなる。
According to the present embodiment, by utilizing the fact that diffusion of
この金属材料として、内側層16にモリブデンを配置し、外側層17にニッケル基合金を配置してもよい。また、内側層16をステンレス鋼またはニッケル基合金とし、外側層17にFe、Cr又はNiを主体とした酸化皮膜としても、同様の効果を得ることができる。
As this metal material, molybdenum may be disposed on the
図6は、図1の中間熱交換器のさらに他の実施の形態の説明図で、(a)はその縦断面図、(b)はそのC部拡大断面図である。 FIG. 6 is an explanatory view of still another embodiment of the intermediate heat exchanger of FIG. 1, wherein (a) is a longitudinal sectional view thereof, and (b) is an enlarged sectional view of a C portion thereof.
本図に示すように、2次系ヘリウムガス流路14を構成する構造物(太線部分)14aは、内側層16、中側層18及び外側層17の3層構造を持っている。この内側層16にステンレス鋼を配置し、中側層18にモリブデンを配置し、外側層17にはニッケル基合金を配置している。
As shown in the figure, the structure (bold line portion) 14 a constituting the secondary helium
本実施の形態によれば、内側層16にステンレス鋼、中側層18にモリブデン、外側層17にニッケル基合金というように3層構造とすることにより、水素の拡散をさらに抑制することができる。さらに、構造材としての強度の向上を図ることができる。
According to the present embodiment, hydrogen diffusion can be further suppressed by adopting a three-layer structure such as stainless steel for the
この3層構造を、上記のステンレス鋼、モリブデン及びニッケル基合金から形成される3層構造の代わりに、内側層から外側層に向けてステンレス鋼、モリブデン、ニッケル基合金の3層構造としても、同様の効果を得ることができる。 Instead of the three-layer structure formed from the stainless steel, molybdenum and nickel-based alloy, the three-layer structure may be a three-layer structure of stainless steel, molybdenum and nickel-based alloy from the inner layer toward the outer layer. Similar effects can be obtained.
また、この構造材の変形例として、内側層から外側層に向けてステンレス鋼、モリブデン及びステンレス鋼の3層構造、ニッケル基合金、モリブデン及びニッケル基合金の3層構造、モリブデン、ステンレス鋼及びモリブデンの3層構造、並びにモリブデン、ニッケル基合金及びモリブデンの3層構造等を列挙することができる。 Moreover, as a modification of this structural material, from the inner layer to the outer layer, a three-layer structure of stainless steel, molybdenum and stainless steel, a nickel-based alloy, a three-layer structure of molybdenum and nickel-based alloy, molybdenum, stainless steel and molybdenum And a three-layer structure of molybdenum, a nickel-based alloy, and molybdenum can be listed.
さらに、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の各実施例を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。 Furthermore, 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 by combining the embodiments of the present invention. it can.
1…原子力プラント、2…高温ガス炉、2a…1次系ヘリウムガス、3…中間熱交換器、4…水素製造システム、4a…2次系ヘリウムガス、5…高温隔離弁、6…水蒸気改質器、6a,50…水素、7…蒸気発生器、8…2次系ヘリウムガス系、9…水蒸気改質器、10…ヘリウム流路管、11…反応管、12…バイオネット内管、14…2次系ヘリウムガス流路、15…1次系ヘリウムガス流路、16…内側層、17…外側層、18…中側層、41…原料ガス貯蔵タンク、41a…原料ガス、42,43…熱交換器、44…水素貯蔵タンク、45…トリチウム、51…金属原子、52…格子間。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
この熱交換器で熱交換を行った熱を用いて水素を製造する水蒸気改質器と、
を備え、
前記熱交換器又は水蒸気改質器内におけるトリチウムを含む冷却材と接触する内部構造物が、内側層と外側層が結晶構造の異なる材料を2種類以上組み合わせて作製される金属材料材を用いて作製されること、を特徴とする水素製造システム。 A heat exchanger for exchanging heat supplied from a nuclear power plant,
A steam reformer that produces hydrogen using the heat exchanged in this heat exchanger;
With
Internals in contact with coolant containing tritium in the heat exchanger or steam reformer, using a metal material member inner and outer layers are fabricated in combination of two or more materials having different crystal structures A hydrogen production system characterized by being produced.
この熱交換器で熱交換を行った熱を利用して水蒸気改質器を用いて水素を製造する水蒸気製造ステップと、 A steam production step for producing hydrogen using a steam reformer using the heat exchanged in this heat exchanger;
を備え、 With
内側層と外側層が結晶構造の異なる材料を2種類以上組み合わせて作製される金属材料材を用いて作製された熱交換器又は水蒸気改質器の内部構造物内をトリチウムが含入した流体を流動させることによりトリチウムの透過を抑制するトリチウム透過抑制ステップと、 A fluid in which tritium is contained in the internal structure of a heat exchanger or steam reformer made using a metal material made by combining two or more materials having different crystal structures in the inner layer and the outer layer. A tritium permeation suppression step for suppressing the permeation of tritium by flowing;
を有することを特徴とする水素製造方法。 A method for producing hydrogen, comprising:
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