JP7390747B2 - Hydrogen production device and method, electric hydrogen co-production system, and method for decomposing carbon dioxide - Google Patents

Hydrogen production device and method, electric hydrogen co-production system, and method for decomposing carbon dioxide Download PDF

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特許法第30条第2項適用 令和4年3月18日に「NIFS研究会」、「原型炉に向けた炉内機器・材料・システム統合研究会」並びに「横断的研究のためのCOE共同研究プラットフォーム・Oroshhi-2の利用検討会」の共同研究会によるZOOM会議にて発表(https://kyoto-u-edu.zoom.us/j/89841379798?pwd=d0NPY25zaW9kNTZVZ0xYdUtucmFPQT09)Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act On March 18, 2020, the "NIFS Study Group", the "In-core Equipment/Materials/System Integration Study Group for Demo Reactor", and the "COE for Cross-sectional Research" were established. Presented at a ZOOM meeting by the joint research group of the ``Oroshihi-2 Utilization Study Group'' (https://kyoto-u-edu.zoom.us/j/89841379798?pwd=d0NPY25zaW9kNTZVZ0xYdUtucmFPQT0 9)

本発明は、水素製造装置及び方法、電力水素併産システム並びに二酸化炭素を分解する方法に係り、より詳しくは、二酸化炭素を循環触媒とした放射線誘導による水原料から水素を製造する水素製造装置及び方法、電力水素併産システム並びに二酸化炭素を分解する方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen production device and method , a power hydrogen co-production system, and a method for decomposing carbon dioxide , and more specifically, a hydrogen production device and method for producing hydrogen from water raw material by radiation induction using carbon dioxide as a circulating catalyst. The present invention relates to a method , a power hydrogen co-production system , and a method for decomposing carbon dioxide .

石油・石炭等の炭素系化石燃料の利用により大気中に放出される二酸化炭素による地球温暖化問題は世界的問題である。そのため我が国では特にその対応策として代替エネルギー源として水素エネルギーの大規模利用が提案されている。しかしながら我が国において大量の水素製造のための既存の基幹技術・条件が整っていないため電気分解技術等で生産された水素は従前のエネルギー源に比べてコスト高となる。そのため海外で製造された大量の水素誘導体を国内輸送する方策などを進めているが、コスト変動や定期供給などの供給安定性に問題がある。 Global warming caused by carbon dioxide released into the atmosphere due to the use of carbon-based fossil fuels such as oil and coal is a worldwide problem. Therefore, in Japan, large-scale use of hydrogen energy as an alternative energy source has been proposed as a countermeasure. However, in Japan, the existing core technologies and conditions for large-scale hydrogen production are not in place, so hydrogen produced using electrolysis technology is more expensive than conventional energy sources. For this reason, measures are being taken to transport large quantities of hydrogen derivatives produced overseas domestically, but there are problems with cost fluctuations and supply stability such as regular supply.

そのため我が国の水素利用社会化において、今後製造水素の国内生産技術の確立と低コスト化が大きな課題となっている。例えば、水資源から二酸化炭素を利用した水素を製造する技術は、すでに下記(1)及び(2)の反応を組み合わせで可能であることが知られている(非特許文献1~3)。
(1) 1100℃の高温化で二酸化炭素を還元反応により一酸化炭素と酸素分子とに分解する。
(2) 一酸化炭素と水とから触媒を利用して水素を製造する(水性ガスシフト反応)
しかしながら上記(1)では、1100℃の高温度域を用いるため、大量の水素製造はコスト高となり、特殊用途以外では実用化されていない。この高温化の対応策として、放射線による中温度域での二酸化炭素の一酸化炭素分解反応もすでに周知されているが、その分解効率は0.1%程度であり、上記と同様に実用化の目途は立っていない。
Therefore, in the transition to a hydrogen-based society in Japan, the establishment of domestic production technology and cost reduction for hydrogen production will become major issues in the future. For example, it is already known that the technology for producing hydrogen using carbon dioxide from water resources is possible by combining the following reactions (1) and (2) (Non-Patent Documents 1 to 3).
(1) At a high temperature of 1100℃, carbon dioxide is decomposed into carbon monoxide and oxygen molecules through a reduction reaction.
(2) Producing hydrogen from carbon monoxide and water using a catalyst (water gas shift reaction)
However, in (1) above, since a high temperature range of 1100° C. is used, the production of hydrogen in large quantities is expensive, and it has not been put to practical use except for special purposes. As a countermeasure to this high temperature, the carbon monoxide decomposition reaction of carbon dioxide in the intermediate temperature range using radiation is already well known, but its decomposition efficiency is about 0.1%, and as mentioned above, there is no prospect of practical application. Not standing.

一方、水素製造の上記課題とは別に、原子力発電所から使用済み核燃料の再処理で生じる高強度放射線源である高レベル廃棄物の貯蔵・長期保管問題は大きな国民の不安ストレスの原因のひとつとなっている。また、将来のエネルギー源として期待される核融合炉においても、DT反応の結果として発生する高エネルギー中性子の対処や冷却水を用いることによる問題の解決が大きな課題となっている。さらに、太陽光発電における放射エネルギー損失を解決する手段や、地下深いマグマ層からの高温地熱を利用した発電システムの開発が求められている。 On the other hand, apart from the above-mentioned issues regarding hydrogen production, the issue of storage and long-term storage of high-level waste, which is a source of high-intensity radiation and is generated during the reprocessing of spent nuclear fuel from nuclear power plants, is one of the causes of great anxiety and stress among the public. It has become. In addition, even in nuclear fusion reactors, which are expected to be a future energy source, there are major issues such as dealing with high-energy neutrons generated as a result of the DT reaction and solving problems by using cooling water. Furthermore, there is a need to develop a means to solve the radiant energy loss in solar power generation and a power generation system that utilizes high-temperature geothermal heat from deep underground magma layers.

P.Harteck and S.Dondes,J.Chem:Phys.,26,1727(1957)P. Harteck and S. Dondes, J. Chem: Phys., 26, 1727 (1957) N.Fujita and C.Matsuura:Radiation induced reduction of CO2 in iron containing solution,Radiat. Phys. Chem.,43,205(1994)N. Fujita and C. Matsuura: Radiation induced reduction of CO2 in iron containing solution, Radiat. Phys. Chem., 43, 205 (1994) X.-Z. Wu,et al.:Chem. Lett.,2000,572-573.X.-Z. Wu, et al.: Chem. Lett., 2000, 572-573.

本発明は、上記事実に鑑みなされたもので、従来発電や熱源として利用されている既存若しくは将来の熱源、又は、当該熱源及び不必要な放射線を誘導触媒とすると共に、地球温暖化の原因である不要な二酸化炭素を一酸化炭素に還元分解した後、分解された一酸化炭素と水資源とから水性ガスシフト反応を利用して大量水素を安価に製造することを可能ならしめた水素製造装置、電力水素併産システム及び水素製造方法を提供することをその目的とする。 The present invention has been made in view of the above facts, and uses existing or future heat sources conventionally used as power generation or heat sources, or the heat sources and unnecessary radiation as an induction catalyst, and is a cause of global warming. A hydrogen production device that makes it possible to reduce and decompose certain unnecessary carbon dioxide into carbon monoxide, and then to inexpensively produce a large amount of hydrogen from the decomposed carbon monoxide and water resources using a water gas shift reaction. The purpose is to provide a power and hydrogen co-production system and a hydrogen production method.

上記課題を解決するため、本発明の水素製造装置は、熱、又は、熱及び放射線を用いて、超臨界CO をCO及びOに分解するためのCO熱分解反応を引き起こす、超臨界CO 分解部と、前記超臨界CO 分解部で分解されたCOとHOとの間で水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、H及びCOを生成する、水性ガスシフト反応部と、を備えて構成したものである。 In order to solve the above problems, the hydrogen production device of the present invention uses heat or heat and radiation to cause a CO 2 thermal decomposition reaction to decompose supercritical CO 2 into CO and O 2 . A water gas shift reaction section that generates H 2 and CO 2 by causing a water gas shift reaction between the CO 2 decomposition section and the CO and H 2 O decomposed in the supercritical CO 2 decomposition section. It has been prepared and configured.

例えば、前記超臨界CO 分解部は、外部の熱源からの熱、又は、外部の熱源からの熱及び外部の放射線源からの放射線を受け取るように配置された、超臨界CO が導入されるCO配管を備える。 For example, the supercritical CO 2 decomposition section is arranged to receive heat from an external heat source, or heat from an external heat source and radiation from an external radiation source, and supercritical CO 2 is introduced. Equipped with CO2 piping.

好ましくは、前記水性ガスシフト反応部により生成されたCOを超臨界化した状態で前記超臨界CO 分解部に戻す超臨界CO 循環経路をさらに備える。
前記CO配管は、外部の熱源からの熱及び外部の放射線源からの放射線を受け取るように配置されており、前記外部の熱源は、中温度域熱源である。或いは、前記CO配管は、外部の熱源からの熱を受け取るように配置されており、前記外部の熱源は、1100℃以上の高温度域熱源である。
Preferably, the apparatus further includes a supercritical CO 2 circulation path for returning the CO 2 generated by the water gas shift reaction section to the supercritical CO 2 decomposition section in a supercritical state.
The CO 2 piping is arranged to receive heat from an external heat source and radiation from an external radiation source, the external heat source being a medium temperature range heat source. Alternatively, the CO 2 pipe is arranged to receive heat from an external heat source, and the external heat source is a high temperature range heat source of 1100° C. or higher.

例えば、前記外部の熱源及び外部の放射線源は、高レベル放射性廃棄物を収納した収納管であり、前記CO配管は、前記収納管を取り囲むように配置された配管である。例えば、前記外部の熱源は加熱ヒーターであり、前記外部の放射線源は60CO線源である。例えば、前記外部の熱源及び外部の放射線源は原子力発電炉である。例えば、前記原子力発電炉は、該原子力発電炉の炉心で発生した熱を伝達するための溶融塩が循環する溶融塩循環経路を備え、前記CO配管は、前記溶融塩循環経路内に配置される。 For example, the external heat source and the external radiation source are storage pipes containing high-level radioactive waste, and the CO 2 piping is piping arranged to surround the storage pipe. For example, the external heat source is a heating heater, and the external radiation source is a 60 CO radiation source. For example, the external heat source and external radiation source are nuclear power reactors. For example, the nuclear power reactor includes a molten salt circulation path through which molten salt circulates for transferring heat generated in the core of the nuclear power reactor, and the CO 2 pipe is disposed within the molten salt circulation path. Ru.

外部の熱源、又は、前記外部の熱源及び外部の放射線源は、核融合発電炉であってもよい。具体的には、前記CO配管は、前記核融合発電炉のブランケットを冷却する配管として構成され、好ましくは、前記ブランケットは放射線・中性子増倍材を備える。或いは、前記CO配管は、前記核融合発電炉のダイバータを冷却する配管として構成され、好ましくは、前記ダイバータは、複数のダイバータカセットから構成される。前記ダイバータカセットは、前記核融合発電炉の炉心プラズマから放射される熱を受け取るように配置されたタングステンのプレートと、該プレートの裏面側に連結された前記CO配管と、を備えていてもよい。好ましくは、前記プレートの裏面側に連結された前記CO配管は、複数の配管から構成される。さらに好ましくは、前記CO配管は、前記ダイバータに入力される超臨界CO の入口配管と、前記ダイバータから出力されたガスの出口配管と、前記入口配管と前記出口配管との間で熱交換を行う熱交換器とを備える。 The external heat source or the external heat source and external radiation source may be a fusion power reactor. Specifically, the CO 2 pipe is configured as a pipe that cools a blanket of the fusion power reactor, and preferably the blanket includes a radiation/neutron multiplier. Alternatively, the CO 2 piping is configured as a piping that cools a diverter of the fusion power reactor, and preferably, the diverter is configured from a plurality of diverter cassettes. The diverter cassette may include a tungsten plate arranged to receive heat radiated from the core plasma of the fusion power reactor, and the CO 2 pipe connected to the back side of the plate. good. Preferably, the CO 2 pipe connected to the back side of the plate is composed of a plurality of pipes. More preferably, the CO 2 pipe is configured to exchange heat between an inlet pipe for supercritical CO 2 input to the diverter, an outlet pipe for gas output from the diverter, and the inlet pipe and the outlet pipe. It is equipped with a heat exchanger that performs

他の例としての前記CO配管は、太陽光が集光される集熱部に配置される。さらに別の例のCO配管は、マグマ層からの熱を受け取るように地下に配置される。
好ましくは、前記水性ガスシフト反応部は、触媒としてマグネタイト(Fe3O4)又は酸化第二鉄(Fe2O3)を備える。
In another example, the CO 2 pipe is arranged in a heat collecting part where sunlight is collected. Yet another example of CO2 piping is placed underground to receive heat from a magma layer.
Preferably, the water gas shift reaction section includes magnetite (Fe 3 O 4 ) or ferric oxide (Fe 2 O 3 ) as a catalyst.

本発明の電力水素併産システムは、上記した水素製造装置と、前記核融合発電炉と、前記核融合発電炉によって加熱された超臨界CO を循環させてガスタービンを回転させることによって発電する発電装置と、を備える。 The power and hydrogen co-production system of the present invention generates electricity by circulating the above-described hydrogen production device, the fusion power reactor, and supercritical CO 2 heated by the fusion power reactor to rotate a gas turbine. A power generation device.

本発明の別の例の電力水素併産システムは、原子力発電炉の前記超臨界CO 循環経路に配置された、超臨界CO を用いた発電装置を備える。また、前記超臨界CO 分解部の前記CO配管から排出された、CO、CO及びOを含むガスを利用して発電を行う発電装置を備えていてもよく、前記発電装置は、発電に利用した前記ガスを前記水性ガスシフト反応部に供給すると共に、前記水性ガスシフト反応部で生成されたCOを再利用し、前記CO配管に戻す。また、前記溶融塩循環経路に配置された超臨界CO の第2のCO配管を備え、該第2のCO配管を流れる超臨界CO を用いた発電装置とを備えていてもよく、この場合、好ましくは、前記第2のCO配管は、放射線を遮蔽する遮蔽ブランケットにより覆われている。 Another example of the power-hydrogen co-production system of the present invention includes a power generation device using supercritical CO 2 disposed in the supercritical CO 2 circulation path of a nuclear power reactor. Further, the power generation device may include a power generation device that generates power using gas containing CO, CO 2 and O 2 discharged from the CO 2 pipe of the supercritical CO 2 decomposition unit , and the power generation device The gas used for power generation is supplied to the water gas shift reaction section, and the CO 2 generated in the water gas shift reaction section is reused and returned to the CO 2 pipe. It may also include a second CO 2 pipe for supercritical CO 2 disposed in the molten salt circulation path, and a power generation device using supercritical CO 2 flowing through the second CO 2 pipe. , in this case, preferably said second CO 2 pipe is covered with a shielding blanket that shields radiation.

本発明のさらに別の例の電力水素併産システムは、太陽光の集熱部により加熱されたCO配管を超臨界CO 分解部として備えた水素製造装置と、前記集熱部の熱により加熱された超臨界CO を利用して発電を行う発電装置と、
を備える。
Yet another example of the power and hydrogen co-production system of the present invention includes a hydrogen production device equipped with a CO 2 pipe heated by a solar heat collecting section as a supercritical CO 2 decomposition section , and a hydrogen production device that uses the heat of the heat collecting section to A power generation device that generates electricity using heated supercritical CO 2 ;
Equipped with.

本発明のさらに別の例の電力水素併産システムは、マグマ層の熱により加熱されるため地下深く埋められたCO配管を超臨界CO 分解部として備えた水素製造装置と、加熱された超臨界CO を利用して発電も行う発電装置と、を備える。 A hydrogen co-production system according to yet another example of the present invention includes a hydrogen production device equipped with a CO 2 pipe buried deep underground to be heated by the heat of a magma layer as a supercritical CO 2 decomposition unit ; It also includes a power generation device that also generates electricity using supercritical CO 2 .

本発明の水素製造方法は、超臨界CO に、熱又は熱及び放射線を適用することによって該超臨界CO をCO及び酸素に分解し、分解された一酸化炭素に水を加え、水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、H及びCOを生成し、生成されたCOを超臨界状態で前記分解工程に戻すことによりCOを循環させる、各工程を備えて構成したものである。 The hydrogen production method of the present invention decomposes supercritical CO2 into CO and oxygen by applying heat or heat and radiation to supercritical CO2 , adds water to the decomposed carbon monoxide, and shifts the water gas. It is configured to include each step of generating H 2 and CO 2 by causing a reaction, and circulating the CO 2 by returning the generated CO 2 in a supercritical state to the decomposition step.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る水素製造装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a hydrogen production apparatus according to a first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の第2の実施形態に係る水素製造装置の概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a hydrogen production apparatus according to a second embodiment of the present invention. 図3は、本発明の水素製造方法の概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram of the hydrogen production method of the present invention. 図4は、60Co高温照射による超臨界状態のCO2/CO分解効率の測定の流れを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the flow of measurement of CO 2 /CO decomposition efficiency in a supercritical state by high-temperature 60 Co irradiation. 図5は、60Co高温照射による超臨界状態のCO2/CO分解効率の測定結果のグラフである。FIG. 5 is a graph of the measurement results of CO 2 /CO decomposition efficiency in a supercritical state by 60 Co high-temperature irradiation. 図6は、従来技術と比較した本発明の効果を説明する概念図である。FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating the effects of the present invention in comparison with the prior art. 図7は、従来技術と比較した本発明の原理を説明する概念図である。FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating the principle of the present invention in comparison with the prior art. 図8は、本発明の第1の実施形態の態様1(高レベル廃棄物の利用)に係る超臨界CO 分解部を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a supercritical CO 2 decomposition unit according to aspect 1 (utilization of high-level waste) of the first embodiment of the present invention. 図9は、本発明の第1の実施形態の態様2(原子力発電炉の利用)に係る水素製造装置を備える電力水素併産システム(第1変形例)を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an electric power hydrogen co-production system (first modification) including a hydrogen production device according to aspect 2 (utilization of a nuclear power reactor) of the first embodiment of the present invention. 図10は、本発明の第1の実施形態の態様2(原子力発電炉の利用)に係る水素製造装置を備える電力水素併産システム(第2変形例)を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an electric power hydrogen co-production system (second modification) including a hydrogen production device according to aspect 2 (utilization of a nuclear power reactor) of the first embodiment of the present invention. 図11は、本発明の第1又は第2の実施形態において外部熱源として用いられる核融合発電炉(態様3)の構造を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the structure of a fusion power reactor (aspect 3) used as an external heat source in the first or second embodiment of the present invention. 図12は、本発明の水素製造装置の超臨界CO 分解部(態様3)が適用された図11の核融合発電炉のブランケットの詳細な構成(態様3の第1変形例)を示す一部拡大図である。FIG. 12 is a diagram showing a detailed configuration (first modification of aspect 3) of the blanket of the fusion power reactor of FIG. 11 to which the supercritical CO 2 decomposition section (aspect 3) of the hydrogen production apparatus of the present invention is applied. It is an enlarged view of the part. 図13は、本発明の水素製造装置の超臨界CO 分解部が適用された図11の核融合発電炉のダイバータの詳細な構成(態様3の第2変形例)を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a detailed configuration (second modification of aspect 3) of the diverter of the fusion power reactor of FIG. 11 to which the supercritical CO 2 decomposition section of the hydrogen production apparatus of the present invention is applied. 図14は、図13のダイバータに設けられた超臨界CO 分解部のCO配管の構成を示す概略図である。FIG. 14 is a schematic diagram showing the configuration of CO 2 piping of the supercritical CO 2 decomposition section provided in the diverter of FIG. 13. 図15は、図14のダイバータへの超臨界CO の入口速度に対する出口温度の関係を示すグラフである。FIG. 15 is a graph showing the relationship of outlet temperature to supercritical CO 2 inlet velocity to the diverter of FIG. 14. 図16は、図15のダイバータに設けられた超臨界CO 分解部のCO配管1つの基本構成を示す斜視図であって、(a)は超臨界CO が流れた状態のCO配管、(b)は、CO配管の配管部分のみ、(c)は炉心プラズマからの熱負荷を受けるタングステンのプレート、(d)は、CO配管の配管部分を流れるCOガスの形状を各々示す。FIG. 16 is a perspective view showing the basic configuration of one CO 2 pipe of the supercritical CO 2 decomposition section provided in the diverter of FIG. 15, and (a) shows the CO 2 pipe in a state where supercritical CO 2 flows . , (b) shows only the piping section of the CO 2 piping, (c) shows the tungsten plate that receives heat load from the core plasma, and (d) shows the shape of the CO 2 gas flowing through the piping section of the CO 2 piping. show. 図17は、図15のダイバータに設けられた超臨界CO 分解部のCO配管の具体的な構成を示す斜視図であり、(a)~(e)は各々異なる例を示す。FIG. 17 is a perspective view showing a specific configuration of the CO 2 piping of the supercritical CO 2 decomposition section provided in the diverter of FIG. 15, and (a) to (e) each show a different example. 図18は、図14のダイバータに設けられた超臨界CO 分解部を有する水素製造装置(態様3の第2変形例)を備える電力水素併産システムを示す図である。FIG. 18 is a diagram showing an electric power hydrogen co-production system including a hydrogen production device (second modification of aspect 3) having a supercritical CO 2 decomposition section provided in the diverter of FIG. 14. 図19は、太陽光を熱源として利用する水素製造装置(第2の実施形態)を備える電力水素併産システムを示す図である。FIG. 19 is a diagram showing an electric power hydrogen co-production system including a hydrogen production device (second embodiment) that uses sunlight as a heat source. 図20は、地下深い高温マグマ層を熱源として利用する水素製造装置(第2の実施形態)を備える電力水素併産システムを示す図である。FIG. 20 is a diagram showing a power-hydrogen co-production system including a hydrogen production device (second embodiment) that utilizes a high-temperature magma layer deep underground as a heat source.

以下、図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態に係る水素製造装置の概略図である。
Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
<First embodiment>
FIG. 1 is a schematic diagram of a hydrogen production apparatus according to a first embodiment of the present invention.

図1に示されるように、第1の実施形態に係る水素製造装置1は、超臨界CO が導入される超臨界CO 分解部2であって、熱及び放射線を用いて超臨界CO をCO及び酸素に分解するためのCO熱分解反応を促進する、超臨界CO 分解部2と、超臨界CO 分解部2で分解された一酸化炭素に水を加え、水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、H及びCOを生成する、水性ガスシフト反応部3と、を備える。 As shown in FIG. 1, the hydrogen production apparatus 1 according to the first embodiment is a supercritical CO2 decomposition unit 2 into which supercritical CO2 is introduced , and uses heat and radiation to decompose supercritical CO2 . The supercritical CO2 decomposition unit 2 promotes the CO2 thermal decomposition reaction to decompose CO2 into CO and oxygen, and water is added to the carbon monoxide decomposed in the supercritical CO2 decomposition unit 2 to cause a water gas shift reaction. a water gas shift reaction section 3 which generates H 2 and CO 2 .

好ましくは、水素製造装置1は、超臨界CO 分解部2から水性ガスシフト反応部3に、COを含むガスを輸送するための第1の循環経路4と、水性ガスシフト反応部3により生成されたCOを超臨界化した状態で超臨界CO 分解部2に戻す第2の循環経路10をさらに備える。また好ましくは、上記した各反応においてCOガスが超臨界状態でなくなる場合には、第2の循環経路10を流れるCOガスを加圧或いは加熱すること等により超臨界CO へと戻す超臨界化機構11を備える。 Preferably, the hydrogen production apparatus 1 includes a first circulation path 4 for transporting gas containing CO from the supercritical CO 2 decomposition unit 2 to the water gas shift reaction unit 3, and a hydrogen gas produced by the water gas shift reaction unit 3. It further includes a second circulation path 10 that returns CO 2 in a supercritical state to the supercritical CO 2 decomposition unit 2 . Preferably, when the CO 2 gas is no longer in a supercritical state in each of the above-mentioned reactions, the CO 2 gas flowing through the second circulation path 10 is returned to supercritical CO 2 by pressurizing or heating the CO 2 gas. A criticalization mechanism 11 is provided.

また、好ましくは、水性ガスシフト反応部3は、水性ガスシフト反応のための触媒としてマグネタイト(Fe3O4)又は酸化第二鉄(Fe2O3)を備える。
超臨界CO 分解部2は、外部の熱源5からの熱及び外部の放射線源6からの放射線を受け取るように配置されている。外部の熱源5は、例えば800℃以下の中温度域熱源であるがこれに限定されるものではない。放射線源6は、例えば中性子、電子線、γ線、α線の源が挙げられるが、これに限定されるものではない。熱源5及び放射線源6は、別々の源であってもよく、或いは、後述する原子炉力発電炉や核融合発電炉などの1つの源7であってもよい。
Further, preferably, the water gas shift reaction section 3 includes magnetite (Fe 3 O 4 ) or ferric oxide (Fe 2 O 3 ) as a catalyst for the water gas shift reaction.
The supercritical CO 2 decomposition unit 2 is arranged to receive heat from an external heat source 5 and radiation from an external radiation source 6 . The external heat source 5 is, for example, a medium temperature heat source of 800° C. or lower, but is not limited thereto. Examples of the radiation source 6 include, but are not limited to, sources of neutrons, electron beams, gamma rays, and alpha rays. The heat source 5 and the radiation source 6 may be separate sources, or may be one source 7 such as a nuclear power reactor or a nuclear fusion power reactor, which will be described later.

超臨界CO分解部2で引き起こされるCO熱分解反応は以下の通りである。
CO +566kJ/mol→CO+1/2O
従って、超臨界CO分解部2では、一酸化炭素COと酸素Oとが生成される。実際には、超臨界CO分解部2から排出されるガスには、分解されなかったCOも含まれる。好ましくは、水素製造装置1は、分解された一酸化炭素COと酸素Oとを超臨界CO分解部2から排出するためのドライポンプ/ターボ分子ポンプ(図示せず)と、排出された一酸化炭素COと酸素Oとを分離する第1の分離部8とを備える。分離部8は、例えば、高い選択性でCOを吸着するCO吸着剤(例えばゼオライト)やCOを分離回収するゲッター材を有し、吸着されなかったガスをOとして分離するか、或いはその逆に、分離部8は、高い吸着性でOを吸着する材料を用いてもよい。いずれにしても本発明は第1の分離部8の構成を限定するものではない。また、分離部8は、超臨界CO分解部2で分解されなかったCOガスを他のガスから分離するようにしてもよい。この分離されたCOガスは、水性ガスシフト反応部3を経ずに直接、第2の循環経路10に戻されてもよい。
The CO 2 thermal decomposition reaction caused in the supercritical CO 2 decomposition unit 2 is as follows.
CO2 +566kJ/mol→CO+1 / 2O2
Therefore, in the supercritical CO 2 decomposition unit 2, carbon monoxide CO and oxygen O 2 are generated. In reality, the gas discharged from the supercritical CO 2 decomposition unit 2 also includes undecomposed CO 2 . Preferably, the hydrogen production device 1 includes a dry pump/turbo-molecular pump (not shown) for discharging decomposed carbon monoxide CO and oxygen O 2 from the supercritical CO 2 decomposition unit 2; It includes a first separation section 8 that separates carbon monoxide CO and oxygen O2 . The separation unit 8 has, for example, a CO adsorbent (e.g. zeolite) that adsorbs CO with high selectivity or a getter material that separates and recovers CO, and separates unadsorbed gas as O2 , or vice versa. Furthermore, the separation section 8 may be made of a material that adsorbs O 2 with high adsorption properties. In any case, the present invention does not limit the configuration of the first separating section 8. Further, the separation unit 8 may separate CO 2 gas that has not been decomposed by the supercritical CO 2 decomposition unit 2 from other gases. This separated CO 2 gas may be directly returned to the second circulation path 10 without passing through the water gas shift reaction section 3 .

分離部8で分離されたCOは、水性ガスシフト反応部3に導入される。さらに水性ガスシフト反応部3には、水が供給される。水性ガスシフト反応部3では、分離部8から導入されたCOとHOとの間で以下の水性ガスシフト反応プロセスが引き起こされる。 The CO separated in the separation section 8 is introduced into the water gas shift reaction section 3. Furthermore, water is supplied to the water gas shift reaction section 3. In the water gas shift reaction section 3, the following water gas shift reaction process is caused between CO and H2O introduced from the separation section 8.

CO+HO→CO+H+41.2kJ/mol
すなわち、水性ガスシフト反応部3は、二酸化炭素COと水素Hとを生成する。二酸化炭素COと水素Hとを分離する第2の分離部9としては、水性ガスシフト反応部3において、例えば不活性ガスであるアルゴンArが導入/排出されてArの流れが生成されており、その流れに運搬された二酸化炭素COと水素Hとが比重差により分離されるという機構などが考えられるが、本発明は第2の分離部9の構成を限定するものではない。上述したように分離された二酸化炭素COは、第2の循環経路10に戻される。分離されたHは、水素資源として外部へと取り出される。
CO+ H2OCO2 + H2 +41.2kJ/mol
That is, the water gas shift reaction section 3 generates carbon dioxide CO 2 and hydrogen H 2 . As the second separation section 9 that separates carbon dioxide CO 2 and hydrogen H 2 , in the water gas shift reaction section 3 , for example, argon Ar, which is an inert gas, is introduced/exhausted to generate a flow of Ar. , a mechanism in which carbon dioxide CO 2 and hydrogen H 2 carried by the flow are separated due to a difference in specific gravity can be considered, but the present invention does not limit the configuration of the second separation section 9. The carbon dioxide CO 2 separated as described above is returned to the second circulation path 10. The separated H 2 is taken out as a hydrogen resource.

本願発明の第1の実施形態に係る水素製造装置1によれば、超臨界CO に熱及び放射線を適用することにより、CO熱分解反応が促進されるため、従来より高い効率でCOを分離することが可能となる。以下、この分解効率について計測結果に基づいて説明する。
60Co高温照射による超臨界状態のCO2/CO分解効率の測定)
図4には、60Co高温照射による超臨界状態のCO2/CO分解効率の測定の流れが示されている。図4に示されるように、先ず、ボンベに、臨界状態ではない未臨界COガスを封入する。CO臨界温度は、304.1K(31.1℃)、CO臨界圧力は、7.38MPaであるところ、例えば25℃で7.38MPaの圧力でCOガスを封入する。圧力は臨界圧力であるが温度が臨界温度よりも低いため、ボンベに封入されたCOガスは未臨界状態となる。
According to the hydrogen production device 1 according to the first embodiment of the present invention, the CO 2 thermal decomposition reaction is promoted by applying heat and radiation to supercritical CO 2 , so CO 2 is produced with higher efficiency than before. It becomes possible to separate. This decomposition efficiency will be explained below based on measurement results.
(Measurement of CO 2 /CO decomposition efficiency in supercritical state by 60 Co high temperature irradiation)
Figure 4 shows the flow of measuring the CO 2 /CO decomposition efficiency in a supercritical state using 60 Co high-temperature irradiation. As shown in FIG. 4, first, a cylinder is filled with subcritical CO 2 gas that is not in a critical state. The CO 2 critical temperature is 304.1 K (31.1° C.) and the CO 2 critical pressure is 7.38 MPa. For example, CO 2 gas is sealed at 25° C. and a pressure of 7.38 MPa. Although the pressure is the critical pressure, the temperature is lower than the critical temperature, so the CO 2 gas sealed in the cylinder is in a subcritical state.

次に、未臨界COガスが封入されたボンベを加熱ヒーターで加熱すると共に、10kGy/hのγ線(1.1~1.3MeV)を照射する60Coをボンベの近傍に配置した。加熱温度は、200℃、400℃、600℃の各温度を選択し、それぞれの加熱温度を継続させ、0~60分間の間の幾つかの時間でボンベ内で分解されたCO濃度を測定し、CO/CO比率を求めた。 Next, the cylinder filled with subcritical CO 2 gas was heated with a heater, and 60 Co, which irradiated with 10 kGy/h of gamma rays (1.1 to 1.3 MeV), was placed near the cylinder. Heating temperatures of 200°C, 400°C, and 600°C were selected, and each heating temperature was continued, and the concentration of CO decomposed in the cylinder was measured at several times between 0 and 60 minutes. , the CO/CO 2 ratio was determined.

図5には、60Co高温照射による超臨界状態のCO2/CO分解効率の測定結果のグラフが示されている。比較のため、ボンベを加熱せず温度を25℃に維持したときの測定結果、すなわち未臨界COの測定結果も示されている。図5のグラフに示されているように、未臨界COの測定結果(25℃)は、測定開始後の短時間内でCO/CO比率が急激に増加するが、その後は、増加することなく測定終了まで10%程度で推移する。これに対して、200℃、400℃、600℃の各温度では、ボンベ内のCOが超臨界状態となっていると考えられ、測定開始後の短時間内で急激にCO/CO比率が増加し、その後も1000秒まで、それぞれ24%、27%、45%まで緩やかに増加する遷移状態が観測された。1000秒以降は、測定終了までCO/CO比率がほぼ一定値を維持した。この安定した状態は、照射γ線に対する、分解したCOによる自己遮蔽効果、CO-O再結合反応、放射線エネルギー不足によるものと考えられる。 FIG. 5 shows a graph of the measurement results of CO 2 /CO decomposition efficiency in a supercritical state by 60 Co high-temperature irradiation. For comparison, the measurement results when the cylinder was not heated and the temperature was maintained at 25° C., that is, the measurement results of subcritical CO 2 are also shown. As shown in the graph of Figure 5, in the subcritical CO 2 measurement results ( at 25°C ), the CO/CO 2 ratio increases rapidly within a short time after the start of the measurement, but after that, it increases. It remains at about 10% until the end of the measurement. On the other hand, at temperatures of 200°C, 400°C, and 600°C, the CO 2 in the cylinder is considered to be in a supercritical state, and the CO/CO 2 ratio rapidly increases within a short period of time after the start of measurement. increased, and thereafter a transition state was observed that gradually increased to 24%, 27%, and 45%, respectively, until 1000 seconds. After 1000 seconds, the CO/CO 2 ratio maintained a substantially constant value until the end of the measurement. This stable state is thought to be due to the self-shielding effect of decomposed CO against irradiated γ-rays, the CO--O recombination reaction, and the lack of radiation energy.

図5の測定結果から、放射線照射下において、COを超臨界状態にすることによって、従来技術よりも、有意に増加し、さらに、温度をより高温にするにつれて、CO/CO比率は、より増加することが示された。このことから図1の熱源5を図4の加熱ヒーターとし、放射線源6を60CO線源とする水素製造装置1を構成することによって、従来技術よりも遥かに高いCO/CO比率を達成し、よって、水素製造効率を顕著に向上することが可能となることが理解できる。 From the measurement results in FIG. 5, it can be seen that under radiation irradiation, by bringing CO 2 into a supercritical state, it increases significantly compared to the conventional technology, and as the temperature becomes higher, the CO/CO 2 ratio increases. It was shown that the increase in Therefore, by configuring the hydrogen production apparatus 1 in which the heat source 5 in FIG. 1 is replaced by the heating heater in FIG. Therefore, it can be understood that the hydrogen production efficiency can be significantly improved.

図6には、従来技術と本発明とのCO熱分解反応プロセスの相違が示されている。
図6に示されるように、従来の流通法電子線照射(1.2×1017eV/cms)によるCO熱分解反応プロセスでは、未臨界状態のCOからの生成物のG値(エネルギーを100eV吸収したときに発生する化学反応生成物の数)は、20℃で8であり、500℃に温度を上げても13程度であった。また、CO/CO比率は、0.1%程度である。これに対して、本発明では、超臨界状態のCOからの生成物のG値は50℃で1300となり、CO/CO比率は、数十%にも上がる。
FIG. 6 shows the differences in the CO 2 pyrolysis reaction process between the prior art and the present invention.
As shown in FIG. 6, in the conventional CO 2 thermal decomposition reaction process using flow-through electron beam irradiation (1.2×10 17 eV/cm 3 s), the G value of the product from CO 2 in a subcritical state is (The number of chemical reaction products generated when 100 eV of energy is absorbed) was 8 at 20°C, and was about 13 even when the temperature was raised to 500°C. Further, the CO/CO 2 ratio is about 0.1%. In contrast, in the present invention , the G value of the product from supercritical CO 2 is 1300 at 50° C., and the CO/CO 2 ratio increases to several tens of percent.

COを超臨界化することにより放射線分解効果が顕著に向上する理由について、図7を用いて考察する。図7に示されるように、通常のCO希ガス状態では、放射線との邂逅確率が低いと推測される。これに対して、CO超臨界状態では、高密度であるとともに、原子間振動が激しくなるため、放射線の邂逅確率が高くなり、またO-C-O結合チェーンの切断効率が向上すると推測される。 The reason why the radiolysis effect is significantly improved by making CO 2 supercritical will be discussed using FIG. 7. As shown in FIG. 7, it is estimated that the probability of encountering radiation is low in the normal CO 2 noble gas state. On the other hand, in the CO2 supercritical state, the density is high and interatomic vibrations are intense, so it is assumed that the probability of encountering radiation increases and the efficiency of cutting the O-C-O bond chain increases. Ru.

従って、図3に示されるように、本発明の水素製造方法は、超臨界CO に、熱及び放射線を適用することによって該超臨界CO をCO及び酸素に分解し、分解された一酸化炭素に水を加え、水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、H及びCOを生成し、生成されたCOを超臨界状態で前記分解工程に戻すことによりCOを循環させる、各工程を備えて構成することができる。 Therefore, as shown in FIG. 3, the hydrogen production method of the present invention decomposes supercritical CO2 into CO and oxygen by applying heat and radiation to the supercritical CO2 , and decomposes the decomposed monoxide. Each process includes adding water to carbon to cause a water gas shift reaction to generate H2 and CO2 , and circulating the CO2 by returning the generated CO2 in a supercritical state to the decomposition process. It can be configured as follows.

熱源5及び放射線源6、或いは、両者を統合した一つの源7の例は、上記の例に限定されるものではないことはいうまでもなく、少なくとも、以下の態様が考えられる。なお、各態様において、図1と同様の構成要件には、図1で使用された参照番号に各態様毎にアルファベットの添え字a、b、c、dを付けて詳細な説明を省略する。
(態様1―高レベル放射性廃棄物を熱源及び放射線源とする)
図8には、態様1に係る超臨界CO分解部2aが示されている。図8に示されるように、超臨界CO分解部2aは、高レベル放射性廃棄物の施設22内に設けられており、当該施設22内には、高レベル放射性廃棄物を収納した収納管20が複数本配置されており、これらが、熱及び放射線を照射する熱源及び放射線源7aとなる。収納管20の各々には、高レベル放射性廃棄物が封入されたガラス固化体21が直列に複数本配列されている。超臨界CO分解部としてのCO配管2aが各々の収納管20を取り囲むように設けられている。CO配管2aに超臨界COが導入されることで、CO配管2aを流れる超臨界COは、収納管20から照射される熱及び放射線により、CO熱分解反応が促進され、分解されたCOは、水性ガスシフト反応部3(図1)へと輸送される。
It goes without saying that the examples of the heat source 5 and the radiation source 6, or a single source 7 that integrates both, are not limited to the above examples, and at least the following aspects are possible. Note that in each aspect, constituent elements similar to those in FIG. 1 are given alphabetical suffixes a, b, c, and d for each aspect to the reference numbers used in FIG. 1, and detailed description thereof will be omitted.
(Aspect 1 - Using high-level radioactive waste as a heat source and radiation source)
FIG. 8 shows a supercritical CO 2 decomposition unit 2a according to aspect 1. As shown in FIG. 8, the supercritical CO 2 decomposition unit 2a is provided in a facility 22 for high-level radioactive waste, and within the facility 22 there is a storage pipe 20 containing high-level radioactive waste. A plurality of are arranged, and these serve as a heat source and a radiation source 7a that irradiate heat and radiation. In each of the storage tubes 20, a plurality of vitrified bodies 21 filled with high-level radioactive waste are arranged in series. A CO 2 pipe 2 a serving as a supercritical CO 2 decomposition unit is provided so as to surround each storage pipe 20 . By introducing supercritical CO 2 into the CO 2 pipe 2a, the supercritical CO 2 flowing through the CO 2 pipe 2a is decomposed by the heat and radiation irradiated from the storage pipe 20 promoting the CO 2 thermal decomposition reaction. The CO produced is transported to the water gas shift reaction section 3 (FIG. 1).

態様1では、高レベル放射性廃棄物のより安全な保管が可能になると共に、原価0で水素を製造することが可能となる。
(態様2-原子力発電炉を熱源及び放射線源とする)
図9には、外部の熱源5b及び外部の放射線源6bの統合化した源として原子力発電炉7bが示されている。原子力発電炉7bは、炉心30と、炉心30で発生した熱を伝達するための溶融塩が循環する溶融塩循環経路31と、溶媒塩を経路31内で循環させるためのモータ付きポンプ32と、を備える。溶融塩循環経路31内には、超臨界CO 分解部としてのCO配管2bが配置される。CO配管2bに超臨界CO が導入されることで、CO配管2bを流れる超臨界CO は、溶媒塩を介して伝達される炉心30の熱及び炉心30から照射される放射線により、CO熱分解反応が促進され、分解されたCOは、水性ガスシフト反応部3bへと輸送される。
In aspect 1, it becomes possible to store high-level radioactive waste more safely and to produce hydrogen at zero cost.
(Aspect 2 - Using a nuclear power reactor as a heat source and radiation source)
In FIG. 9, a nuclear power reactor 7b is shown as an integrated source of an external heat source 5b and an external radiation source 6b. The nuclear power reactor 7b includes a reactor core 30, a molten salt circulation path 31 through which molten salt circulates for transferring heat generated in the reactor core 30, and a motor-equipped pump 32 for circulating solvent salt within the path 31. Equipped with. Inside the molten salt circulation path 31, a CO 2 pipe 2b serving as a supercritical CO 2 decomposition section is arranged. By introducing supercritical CO 2 into the CO 2 pipe 2b, the supercritical CO 2 flowing through the CO 2 pipe 2b is caused by the heat of the reactor core 30 transferred via the solvent salt and the radiation irradiated from the reactor core 30. The CO 2 thermal decomposition reaction is promoted, and the decomposed CO is transported to the water gas shift reaction section 3b.

さらに、図9に示すシステム100は、水素製造装置だけではなく、超臨界CO 分解部のCO配管2bから第1の循環経路4bを通って排出された、CO、CO及びOを含むガスを利用して発電を行う発電装置35を備えている。発電装置35は、発電に利用したガスを水性ガスシフト反応部3bに供給すると共に、水性ガスシフト反応部3bで生成されたCOを再利用し、第2の循環経路10bを介してCO配管2bに戻す。 Furthermore, the system 100 shown in FIG. 9 not only uses a hydrogen production device but also processes CO, CO 2 and O 2 discharged from the CO 2 piping 2b of the supercritical CO 2 decomposition unit through the first circulation path 4b . It includes a power generation device 35 that generates power using the gas contained therein. The power generation device 35 supplies the gas used for power generation to the water gas shift reaction section 3b, reuses the CO 2 generated in the water gas shift reaction section 3b, and supplies the CO 2 to the CO 2 piping 2b via the second circulation path 10b. Return to

発電装置35は、一軸連結された、コンプレッサMC,BC及びタービンGを有するガスタービン部36を備え、CO、CO及びOを含むガスでガスタービン部36が回転することにより発電を行うことができる。 The power generation device 35 includes a gas turbine section 36 having compressors MC, BC, and a turbine G that are uniaxially connected, and generates electricity by rotating the gas turbine section 36 with gas containing CO, CO2, and O2 . Can be done.

また、溶融塩循環経路31内には、第2の配管33が配置されてもよく、原子力発電炉が通常行う水蒸気を用いた発電を実行するために使用することができる。
以上の通り、図9に示すシステム100は、水素を製造すると共に発電を行う電力水素併産システム(第1変形例)を構成する。
Further, a second pipe 33 may be disposed within the molten salt circulation path 31, and can be used to perform power generation using steam, which is normally performed in a nuclear power reactor.
As described above, the system 100 shown in FIG. 9 constitutes a power-hydrogen co-production system (first modification) that produces hydrogen and generates power.

図10には、第2変形例に係る電力水素併産システム101が示されている。電力水素併産システム101において、発電装置35は、第1変形例のように第1の循環経路4c、第2の循環経路10cに設けられるのではなく、超臨界CO が循環される第2の配管33cに接続される。第2の配管33cは、原子力発電炉7cによって加熱される溶融塩の循環経路31に配置されているため、発電装置35は、加熱された超臨界CO によって効率的に発電を行うことが可能となる。発電装置35には、分解されたCOは不要であるため、第2の変形例において、第2の配管33cは、原子力発電炉7cの炉心30からの放射線を遮蔽する遮蔽シールド34で覆われているのが好ましい。
(態様3-核融合発電炉を熱源及び放射線源とする)
図11には、外部の熱源5d及び外部の放射線源6dの統合化した源として核融合発電炉7dが示されている。核融合発電炉7dは、トカマク型の核融合発電炉であり、炉心プラズマ50を閉じ込めるためのプラズマ真空容器40と、プラズマ50を閉じ込める磁場を発生する、超伝導ヘリカルコイル41及び超伝導ポロイダルコイル42と、電磁力支持構造43と、外装部を形成するクライオスタット(断熱真空容器)44と、プラズマ50を取り囲むように真空容器40の内壁に設けられたブランケット45と、効率の良い排熱・排不純物粒子を可能とするためプラズマ粒子が集中される磁場配位を形成するダイバータ46と、を備える。
FIG. 10 shows an electric power and hydrogen co-production system 101 according to a second modification. In the power-hydrogen co-production system 101, the power generation device 35 is not provided in the first circulation path 4c and the second circulation path 10c as in the first modification, but in the second circulation path where supercritical CO 2 is circulated. It is connected to the piping 33c. Since the second pipe 33c is arranged in the circulation path 31 of molten salt heated by the nuclear power reactor 7c, the power generation device 35 can efficiently generate power using heated supercritical CO2 . becomes. Since the power generation device 35 does not require decomposed CO, in the second modification, the second pipe 33c is covered with a shielding shield 34 that shields radiation from the core 30 of the nuclear power reactor 7c. It is preferable to be there.
(Aspect 3 - Using a fusion power reactor as a heat source and radiation source)
In FIG. 11, a fusion power reactor 7d is shown as an integrated source of an external heat source 5d and an external radiation source 6d. The fusion power reactor 7d is a tokamak-type fusion power reactor, and includes a plasma vacuum vessel 40 for confining core plasma 50, a superconducting helical coil 41 and a superconducting poloidal coil 42 for generating a magnetic field for confining the plasma 50. , an electromagnetic force support structure 43, a cryostat (insulated vacuum vessel) 44 forming an exterior part, a blanket 45 provided on the inner wall of the vacuum vessel 40 to surround the plasma 50, and efficient exhaust heat and exhaust impurity particles. and a diverter 46 for forming a magnetic field configuration in which the plasma particles are concentrated to enable.

態様3では、超臨界CO 分解部のCOガス配管を、核融合発電炉7dで高熱負荷のかかる、ブランケット45に設ける(第1変形例)か、或いは、最も高温になるダイバータ46(第2変形例)に設けることが考えられる。以下、それぞれの変形例について説明する。 In embodiment 3, the CO 2 gas piping of the supercritical CO 2 decomposition unit is provided in the blanket 45, which is subjected to a high heat load in the fusion power reactor 7d (first modification), or the CO 2 gas piping is installed in the diverter 46 (the first modification) which has the highest temperature. 2) may be provided. Each modification will be explained below.

図12には、態様3の第1変形例の超臨界CO 分解部2dが適用された図11の核融合発電炉のブランケット45の一部拡大図が示されている。図示のようにブランケット45は、炉心プラズマ50に面するプラズマ真空容器40の内壁に設けられている。ブランケット45は、プラズマ50からの高温放射を受けるため高温度になり、冷却機構が必須である。従来では冷却水による冷却が考えられてきたが、本発明は、ブランケット45の冷却手段として、超臨界CO 分解部2dを設けたものである。 FIG. 12 shows a partially enlarged view of the blanket 45 of the fusion power reactor of FIG. 11 to which the supercritical CO 2 decomposition unit 2d of the first modification of aspect 3 is applied. As shown, the blanket 45 is provided on the inner wall of the plasma vacuum vessel 40 facing the core plasma 50. The blanket 45 receives high-temperature radiation from the plasma 50 and therefore becomes high in temperature, so a cooling mechanism is essential. Conventionally, cooling using cooling water has been considered, but in the present invention, a supercritical CO 2 decomposition unit 2d is provided as a cooling means for the blanket 45.

超臨界CO 分解部2dは、ブランケット45の裏面側に設けられた冷却配管(図示せず)として構成されている。当該冷却配管には、超臨界CO の入口配管48と、該冷却配管を流れるガスの出口配管49と、が接続される。入口配管48から導入された超臨界CO は、ブランケットの冷却配管を流れ、このとき、プラズマ50から放射される熱及び中性子により熱分解反応が引き起こされてCOを含むガスとなり、出口配管49から出ていく。出口配管49から出たCOを含むガスは、水性ガスシフト反応部へと導かれる。 The supercritical CO 2 decomposition unit 2d is configured as a cooling pipe (not shown) provided on the back side of the blanket 45. An inlet pipe 48 for supercritical CO 2 and an outlet pipe 49 for gas flowing through the cooling pipe are connected to the cooling pipe. The supercritical CO 2 introduced from the inlet pipe 48 flows through the cooling pipe of the blanket, and at this time, the heat and neutrons emitted from the plasma 50 cause a thermal decomposition reaction to become a gas containing CO, which is then released from the outlet pipe 49. to go out. The CO-containing gas discharged from the outlet pipe 49 is guided to the water gas shift reaction section.

好ましくは、ブランケット45は放射線・中性子増倍材47を備える。これによって、中性子を始めとする放射線を増加させて、冷却配管中のCO熱分解反応をより促進させることが可能となる。 Preferably, the blanket 45 includes radiation/neutron multiplier 47 . This makes it possible to increase radiation including neutrons and further promote the CO 2 thermal decomposition reaction in the cooling pipe.

図13には、態様3の第2変形例の超臨界CO 分解部2eが適用された図11の核融合発電炉のダイバータ46の斜視図が示されている。図示のように、ダイバータ46は、複数のダイバータカセット51を敷き詰めて構成される。ダイバータカセット51の各々は、独立して交換可能となっており、破損時の修復作業を容易にしている。なお、図13には、プラズマ真空容器40のための冷却水配管52と、配管接続部53とが示されている。 FIG. 13 shows a perspective view of the diverter 46 of the fusion power reactor of FIG. 11 to which the supercritical CO 2 decomposition unit 2e of the second modification of aspect 3 is applied. As illustrated, the diverter 46 is configured by laying a plurality of diverter cassettes 51. Each of the diverter cassettes 51 is independently replaceable, facilitating repair work in the event of damage. Note that FIG. 13 shows a cooling water pipe 52 and a pipe connection portion 53 for the plasma vacuum vessel 40.

図14には、超臨界CO 分解部2eの概略図が示されている。図示のように、超臨界CO 分解部2eは、ダイバータ46又はダイバータカセット51を冷却する冷却配管70(CO配管)として構成されており、具体的には、プラズマからの高温熱負荷を受けるダイバータ46又はダイバータカセット51の表面プレート72の裏面側に配置された超臨界CO の冷却配管(後述する)として構成される。冷却配管70には、超臨界CO の入口配管56と、該冷却配管を流れるCOを含むガスの出口配管57と、が接続される。入口配管56から導入された超臨界CO は、ダイバータの冷却配管70を流れ、このとき、プラズマ50から放射される熱及び中性子により熱分解反応が引き起こされてCOを含む高温ガスとなり、出口配管57を通ってダイバータから出ていく。 FIG. 14 shows a schematic diagram of the supercritical CO 2 decomposition section 2e. As illustrated, the supercritical CO 2 decomposition unit 2e is configured as a cooling pipe 70 (CO 2 pipe) that cools the diverter 46 or the diverter cassette 51, and specifically receives high temperature heat load from plasma. It is configured as a supercritical CO 2 cooling pipe (described later) disposed on the back side of the surface plate 72 of the diverter 46 or the diverter cassette 51. The cooling pipe 70 is connected to an inlet pipe 56 for supercritical CO 2 and an outlet pipe 57 for gas containing CO flowing through the cooling pipe. The supercritical CO 2 introduced from the inlet pipe 56 flows through the cooling pipe 70 of the divertor, and at this time, the heat and neutrons radiated from the plasma 50 cause a thermal decomposition reaction, resulting in a high-temperature gas containing CO. 57 and exits the diverter.

15には、冷却配管70における超臨界COの入口速度に対する、冷却配管70の入口及び出口におけるガス温度と表面プレート72の温度との関係をシュミレーションした結果が示されている。図15のグラフに示されるように、例えば入口速度200m/sにおいて、入口温度が1200K,出口温度が1373Kとなった。また、表面プレート72の最高表面温度が約3000Kであり、平均表面温度が約2800Kとなった。従って、表面プレート72の材料としてタングステンを用いれば、その融点は図16の最高表面温度より低いので、表面プレートの溶解を防止することができる。よって、超臨界COによる十分な冷却効果が確認された。 FIG. 15 shows the results of a simulation of the relationship between the gas temperature at the inlet and outlet of the cooling pipe 70 and the temperature of the surface plate 72 with respect to the inlet velocity of supercritical CO 2 in the cooling pipe 70. As shown in the graph of FIG. 15 , for example, at an inlet speed of 200 m/s, the inlet temperature was 1200K and the outlet temperature was 1373K. Further, the maximum surface temperature of the surface plate 72 was about 3000K, and the average surface temperature was about 2800K. Therefore, if tungsten is used as the material for the surface plate 72, melting of the surface plate can be prevented since its melting point is lower than the maximum surface temperature shown in FIG. Therefore, a sufficient cooling effect by supercritical CO 2 was confirmed.

好ましくは、超臨界CO 分解部2eは、入口配管56と出口配管57との間で熱交換を行う熱交換器55をさらに備える。熱交換器55には、入口配管56と連通する入口ポート58と、出口配管57と連通する出口ポート59と、が設けられている。入口ポート58から導入された超臨界CO は、熱交換器55内の入口配管56を通過する間に、より高温のCOを含むガスが流れる出口配管57により加熱されて、より高温となり、ダイバータの冷却配管70へと流れ、プラズマからの熱によりさらに加熱されて出口配管57を通ってダイバータから出ていく。出口配管57を通って流れるCOを含むガスは、熱交換器55内で、入口配管56を流れる超臨界CO を加熱することにより冷却され、出口ポート59から出ていく。シミュレーションによれば、熱交換器55の入口ポートに導入する超臨界CO の温度を350Kにすれば、熱交換器55により1200Kまで温度が上昇し、さらに冷却配管70を通過した後には1373Kまで加熱され、それから熱交換器55により350Kまで冷却される。好ましい本態様によれば、350Kの温度でより容易にガスを取り扱うことが可能となる。 Preferably, the supercritical CO 2 decomposition unit 2e further includes a heat exchanger 55 that exchanges heat between an inlet pipe 56 and an outlet pipe 57. The heat exchanger 55 is provided with an inlet port 58 that communicates with the inlet pipe 56 and an outlet port 59 that communicates with the outlet pipe 57. While the supercritical CO 2 introduced from the inlet port 58 passes through the inlet pipe 56 in the heat exchanger 55, it is heated by the outlet pipe 57 through which gas containing higher-temperature CO flows, reaching a higher temperature and passing through the diverter. The plasma flows into the cooling pipe 70, is further heated by the heat from the plasma, and exits from the diverter through the outlet pipe 57. The CO-containing gas flowing through outlet line 57 is cooled in heat exchanger 55 by heating the supercritical CO 2 flowing through inlet line 56 and exits through outlet port 59 . According to the simulation, if the temperature of supercritical CO 2 introduced into the inlet port of the heat exchanger 55 is set to 350K, the temperature will rise to 1200K by the heat exchanger 55, and further rise to 1373K after passing through the cooling pipe 70. It is heated and then cooled to 350K by heat exchanger 55. According to this preferred embodiment, it becomes possible to more easily handle gas at a temperature of 350K.

図16には、冷却配管70の基本構成及び各構成要素が示されている。図16(a)に示されるように、冷却配管70は、配管部分71(図16(b))と、配管部分71の上面に連結されるタングステンの表面プレート72(図16(c))とを備えている。冷却配管70には、図16(d)に示す形状の超臨界CO 73が流れることになる。 FIG. 16 shows the basic configuration and each component of the cooling pipe 70. As shown in FIG. 16(a), the cooling piping 70 includes a piping portion 71 (FIG. 16(b)) and a tungsten surface plate 72 (FIG. 16(c)) connected to the upper surface of the piping portion 71. It is equipped with Supercritical CO 2 73 having the shape shown in FIG. 16(d) flows through the cooling pipe 70.

図17には、冷却配管70(CO配管)のより具体的な複数の変形例が示されている。なお、図17(a)~(e)において、各々対応する構成要件には同様の参照番号を付与し、アルファベットの添え字を用いて各例を区別し、異なる部分についてのみ説明する。 FIG. 17 shows a plurality of more specific modifications of the cooling pipe 70 (CO 2 pipe). Note that in FIGS. 17A to 17E, corresponding constituent elements are given the same reference numerals, alphabetical subscripts are used to distinguish each example, and only different parts will be described.

図17(a)に示されるように、冷却配管70aは、並列に並べられた複数の配管部分71aと、該複数の配管部分71aの上面に亘って連結されたタングステンの表面プレート71aと、複数の配管部分71aに超臨界CO を導入するため複数の配管部分71aの一端部に連結された入口マニホルド74aと、複数の配管部分71aからCOを含むガスを排出するため複数の配管部分71aの他端部に連結された出口マニホルド75aとを備えている。入口マニホルド74aには、超臨界CO の3つの入口ポートが形成され、出口マニホルド75aにはCOを含むガスの1つの出口ポートが設けられている。入口ポートは入口配管56と連通され、出口ポートは出口配管57と連通される。 As shown in FIG. 17(a), the cooling pipe 70a includes a plurality of pipe parts 71a arranged in parallel, a tungsten surface plate 71a connected across the upper surface of the plurality of pipe parts 71a, and a plurality of tungsten surface plates 71a connected across the upper surfaces of the plurality of pipe parts 71a. An inlet manifold 74a connected to one end of the plurality of piping sections 71a for introducing supercritical CO 2 into the plurality of piping sections 71a, and an inlet manifold 74a connected to one end of the plurality of piping sections 71a for discharging gas containing CO from the plurality of piping sections 71a. and an outlet manifold 75a connected to the other end. The inlet manifold 74a is formed with three inlet ports for supercritical CO2 , and the outlet manifold 75a is provided with one outlet port for gas containing CO. The inlet port communicates with inlet piping 56, and the outlet port communicates with outlet piping 57.

図17(b)に示す冷却配管70bは、出口マニホルド75bが3つの出口ポートを有する点において、図17(a)に示す冷却配管70aと異なり、それ以外では、同様である。 The cooling piping 70b shown in FIG. 17(b) differs from the cooling piping 70a shown in FIG. 17(a) in that the outlet manifold 75b has three outlet ports, but is otherwise the same.

図17(c)に示す冷却配管70cでは、入口マニホルド74c及び出口マニホルド75cが冷却配管70a、70bと比較してより平坦であり、その形状も異なっている。また、入口マニホルド74cの入口ポートの数が1つであり、出口マニホルド75cの出口ポートの数が1つである。 In the cooling pipe 70c shown in FIG. 17(c), the inlet manifold 74c and the outlet manifold 75c are flatter than the cooling pipes 70a and 70b, and their shapes are also different. Further, the number of inlet ports of the inlet manifold 74c is one, and the number of outlet ports of the outlet manifold 75c is one.

図17(d)に示す冷却配管70dは、冷却配管70cと類似しているが、出口マニホルド75dが複数の出口ポートを有しており、またその形状も冷却配管70cの出口マニホルド75cとは異なっている。 The cooling pipe 70d shown in FIG. 17(d) is similar to the cooling pipe 70c, but the outlet manifold 75d has a plurality of outlet ports, and its shape is also different from the outlet manifold 75c of the cooling pipe 70c. ing.

図17(e)に示す冷却配管70eは、入口マニホルド74eが平坦で複数の入口ポートを有しており、出口マニホルドが設けられておらず、複数の配管部分71aの端部が露出されたままとなっている。 In the cooling piping 70e shown in FIG. 17(e), the inlet manifold 74e is flat and has a plurality of inlet ports, and an outlet manifold is not provided, so that the ends of the plurality of piping portions 71a remain exposed. It becomes.

本発明の態様3に係る超臨界CO分解部2は、ブランケットやダイバータを冷却する冷却媒体としてCOガスを用いているため、従来の冷却水と比べて以下の利点を有する。
(1) 高圧の超臨界CO2が真空容器に漏洩した場合、断熱膨張により急激に温度が下がるため消火剤的に機能し近傍の高温機器へ損傷を与えない。これに対して水の場合、高温機器への場合によっては水素・蒸気爆破や酸化の危険性がある。
(2) 冷却水を用いた場合、核融合燃料であるトリチウムが混入したり、水素が中性子によりトリチウムに変換されることがあるため、環境に対してトリチウム汚染のおそれがあるが、COガスを用いる場合は、その可能性が存在しない。
(3) 冷却水を用いた場合、水が真空容器の内壁に付着する汚染があるが、COガスの場合、そのような汚染のおそれは少ない。
The supercritical CO 2 decomposition unit 2 according to aspect 3 of the present invention uses CO 2 gas as a cooling medium for cooling the blanket and diverter, and therefore has the following advantages compared to conventional cooling water.
(1) If high-pressure supercritical CO2 leaks into a vacuum container, the temperature will drop rapidly due to adiabatic expansion, so it will act as a fire extinguisher and will not cause damage to nearby high-temperature equipment. On the other hand, in the case of water, there is a risk of hydrogen/steam explosion or oxidation in some cases when it touches high-temperature equipment.
(2) When cooling water is used, tritium, which is a nuclear fusion fuel, may be mixed in or hydrogen may be converted to tritium by neutrons, so there is a risk of tritium contamination to the environment, but CO 2 gas When using , that possibility does not exist.
(3) When cooling water is used, there is a risk of contamination due to the water adhering to the inner wall of the vacuum container, but when using CO2 gas, there is little risk of such contamination.

図18には、核融合発電炉を熱源及び放射線源として利用した態様3(第2変形例)に係る水素製造装置と、超臨界CO を用いた発電装置60と、を備える電力水素併産システム102が示されている。 FIG. 18 shows a hydrogen production system that includes a hydrogen production system according to aspect 3 (second modification) that utilizes a fusion power reactor as a heat source and a radiation source, and a power generation system 60 that uses supercritical CO2 . A system 102 is shown.

電力水素併産システム102では、上述した超臨界CO 分解部2eと水性ガスシフト反応部3eとを備える水素製造装置により水素が製造されると共に、核融合発電炉の熱を利用した発電装置60により電力が生成される。 In the power-hydrogen co-production system 102, hydrogen is produced by the hydrogen production device including the supercritical CO 2 decomposition section 2e and the water gas shift reaction section 3e described above, and hydrogen is produced by the power generation device 60 using the heat of the fusion power reactor. Electricity is generated.

発電装置60は、核融合発電炉のブランケット45の熱により加熱される溶融塩の循環経路69と超臨界CO との間で熱交換を行う主熱交換器61を備えている。発電装置60は、一軸連結された、低圧コンプレッサ62,高圧コンプレッサ63、バイパスコンプレッサ64、ガスタービン65及び発電機66を備えている。主熱交換器により加熱された超臨界CO がガスタービン65、コンプレッサ62~64を回転させることにより一緒に発電機66も回転して電力を生成する。さらに、発電装置60は、第1の再生熱交換器67aと、第2の再生熱交換器67bと、前置冷却器67cと、中間冷却器68とを備える。 The power generation device 60 includes a main heat exchanger 61 that exchanges heat between supercritical CO 2 and a molten salt circulation path 69 heated by the heat of the blanket 45 of the fusion power reactor. The power generation device 60 includes a low pressure compressor 62, a high pressure compressor 63, a bypass compressor 64, a gas turbine 65, and a generator 66 that are uniaxially connected. The supercritical CO 2 heated by the main heat exchanger rotates the gas turbine 65 and compressors 62 to 64, thereby also rotating the generator 66 to generate electric power. Furthermore, the power generation device 60 includes a first regenerative heat exchanger 67a, a second regenerative heat exchanger 67b, a precooler 67c, and an intercooler 68.

なお、電力水素併産システム102では、ブランケット45の熱により加熱される溶融塩の循環経路69と発電装置60の超臨界CO との間で熱交換を行っていたが、図12に示すようにブランケット45の熱により直接超臨界CO を加熱する構成を発電装置60に用いれば、より効率的に、直接加熱された超臨界CO で発電を行うことが可能となる。 In the power-hydrogen co-production system 102, heat exchange was performed between the molten salt circulation path 69 heated by the heat of the blanket 45 and the supercritical CO 2 of the power generation device 60, but as shown in FIG. If a configuration in which supercritical CO 2 is directly heated by the heat of the blanket 45 is used in the power generation device 60, it becomes possible to more efficiently generate electricity using the directly heated supercritical CO 2 .

電力水素併産システム102によれば、従来の核融合発電炉における重水素(D)と三重水素(トリチウムT)とのDT反応で電力を生成するだけでなく、水素を製造することが可能となる。従来のD-T反応の核融合発電炉では、重水素(D)とリチウム(Li)を原燃料とし、リチウム(Li)から三重水素(トリチウムT)を生成するが、炉心プラズマの温度をさらに高くすると将来的には水素(H)と水素(H)との核融合による核融合発電が可能となると期待されている。この場合、本発明の水素製造装置により製造された水素を核融合の燃料として使用することにより燃料の供給が不要となる究極の核融合発電炉を実現することができる。
<第2の実施形態>
図2は、本発明の第2の実施形態に係る水素製造装置1bの概略図である。図2において、図1の第1の実施形態と同様の構成要件については同様の参照番号を附して詳細な説明を省略し、相違する構成要件についてのみ説明する。図2に示す第2の実施形態に係る水素製造装置1bは、1100℃以上の高温度域の熱源12を備えている。このため、放射線照射無しに、超臨界CO のCO熱分解反応を促進することができると考えられるため、第1の実施形態で熱源と共に利用される放射線源を省略することができる。ただし、さらなるCO熱分解反応の促進のために放射線源13を備えていてもよく、或いは、熱源12と放射線源13とを兼ねた1つの源14を備えていてもよい。1つの源14の例としては、高エネルギー中性子が発生する元素同士の核融合を行う核融合反応炉において、高温度域加熱を可能とするダイバータ等を用いるものが挙げられる(従って、図14に示す水素製造装置は第2の実施形態としても解釈可能である)。
According to the power-hydrogen co-production system 102, it is possible to not only generate electricity through the DT reaction between deuterium (D) and tritium (tritium T) in a conventional fusion power reactor, but also to produce hydrogen. Become. In conventional DT reaction fusion power reactors, deuterium (D) and lithium (Li) are used as raw fuel and tritium (tritium T) is produced from lithium (Li), but the temperature of the core plasma is further increased. It is expected that increasing the temperature will enable nuclear fusion power generation by fusion of hydrogen (H) and hydrogen (H) in the future. In this case, by using the hydrogen produced by the hydrogen production apparatus of the present invention as a nuclear fusion fuel, it is possible to realize the ultimate nuclear fusion power reactor that does not require a fuel supply.
<Second embodiment>
FIG. 2 is a schematic diagram of a hydrogen production apparatus 1b according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 2, constituent elements similar to those in the first embodiment of FIG. 1 are given the same reference numerals, detailed explanations are omitted, and only different constituent elements will be explained. A hydrogen production apparatus 1b according to the second embodiment shown in FIG. 2 includes a heat source 12 in a high temperature range of 1100° C. or higher. For this reason, it is considered that the CO 2 thermal decomposition reaction of supercritical CO 2 can be promoted without radiation irradiation, so the radiation source used together with the heat source in the first embodiment can be omitted. However, a radiation source 13 may be provided to further promote the CO 2 thermal decomposition reaction, or a single source 14 serving as both the heat source 12 and the radiation source 13 may be provided. An example of one source 14 is one that uses a diverter or the like that enables heating in a high temperature range in a fusion reactor that performs nuclear fusion between elements that generate high-energy neutrons (therefore, the source 14 in FIG. The hydrogen production device shown can also be interpreted as the second embodiment).

また、熱源12のみの例としては、高エネルギー中性子が発生しない元素同士の核融合を行う核融合反応炉において、高温度域加熱を可能とするダイバータ等を用いるものが挙げられる。 An example of only the heat source 12 is a nuclear fusion reactor that performs nuclear fusion between elements that do not generate high-energy neutrons, using a diverter or the like that enables heating in a high temperature range.

図2に示す熱源12の熱のみでCO分解を行う他の例としては、以下に述べる太陽光と地下深い高温マグマ層の熱源とが挙げられる。
(太陽光を利用する態様)
図19には、本発明の第2の実施形態(太陽光を利用する例)に係る、電力水素併産システム103が示されている。電力水素併産システム103では、1つ又は複数のミラーにより反射された太陽光を1か所に集光させて高温度域を達成する。
Other examples of CO 2 decomposition using only the heat of the heat source 12 shown in FIG. 2 include sunlight and a heat source in a high-temperature magma layer deep underground, which will be described below.
(Mode of using sunlight)
FIG. 19 shows an electric and hydrogen co-production system 103 according to a second embodiment of the present invention (an example that uses sunlight). In the power and hydrogen co-production system 103, sunlight reflected by one or more mirrors is concentrated in one place to achieve a high temperature range.

図19に示されるように、電力水素併産システム103は、熱源としての集熱部12aを有するタワー80と、集熱部12aに向けて太陽光を反射するミラーを有する複数のヘリオスタット83と、集熱部12a内に設けられた、超臨界CO 分解部としてのCO配管2fと、超臨界CO 及びCOの循環経路4f、10fと、高温度域の集熱部12aで分解されたCOを含むガスを用いた水性ガスシフト反応部3fと、を備える。ヘリオスタット83は、タワー80の周囲の例えば地面の上に配置され、太陽の天球上での動きに合わせて向きを自動的に変えることができる。これによって、太陽が出ている限り、集熱部81には太陽光が直接照射されると共にヘリオスタット83から反射した太陽光が照射され続ける。 As shown in FIG. 19, the power and hydrogen co-production system 103 includes a tower 80 having a heat collecting section 12a as a heat source, and a plurality of heliostats 83 having mirrors that reflect sunlight toward the heat collecting section 12a. , CO 2 piping 2f as a supercritical CO 2 decomposition section provided in the heat collection section 12a, circulation paths 4f and 10f for supercritical CO 2 and CO, and CO 2 decomposed in the heat collection section 12a in the high temperature range. and a water gas shift reaction section 3f using gas containing CO. The heliostat 83 is placed around the tower 80, for example on the ground, and can automatically change its direction according to the movement of the sun on the celestial sphere. As a result, as long as the sun is out, the heat collecting section 81 is continuously irradiated with sunlight as well as sunlight reflected from the heliostat 83.

また、循環経路4f、10fを流れるCO/COを含むガスにより発電を行う昼間発電部(図示せず、図9、図10の発電装置35参照)を設けることによって、昼間での発電を行うことが可能となる。 In addition, by providing a daytime power generation unit (not shown, see power generation device 35 in FIGS. 9 and 10) that generates power using gas containing CO 2 /CO flowing through the circulation paths 4f and 10f, power generation is performed during the daytime. becomes possible.

電力水素併産システム103は、集熱部12aより加熱された溶融塩(例えばFLiNaK)を循環させる配管82と、配管82と接続される発電部81と、を備える。発電部81は、配管82から送られた加熱されたFLiNaKを蓄える高温溶融塩タンク84と、高温溶融塩タンク84からのFLiNaKと超臨界CO との間で熱交換を行う熱交換器86と、熱交換で加熱された超臨界CO を用いて発電を行う発電装置60(図18参照)と、主熱交換器86で超臨界CO に熱を与えて低温になったFLiNaKを蓄える低温溶融塩タンク85と、を備える。なお、発電部81では、溶融塩ではなく集熱部12aで加熱された超臨界CO を配管82で循環させてもよい。これによって、発電装置60は、集熱部12aで直接加熱された超臨界CO で発電をより効率的に行うこともできる。太陽が沈む夜間や太陽が出ていない曇/雨/雪の天候においても、発電部81は、高温溶融塩タンク84の溶融塩に蓄熱した熱で発電を行うことが可能となる。本発明によれば、上記した昼間発電部による発電と、夜間での発電部81との切り替えにより、一日を通した発電システムを実現することができる。 The power and hydrogen co-production system 103 includes a pipe 82 that circulates molten salt (for example, FLiNaK) heated by the heat collecting part 12a, and a power generation part 81 connected to the pipe 82. The power generation section 81 includes a high-temperature molten salt tank 84 that stores heated FLiNaK sent from a pipe 82, and a heat exchanger 86 that exchanges heat between the FLiNaK from the high-temperature molten salt tank 84 and supercritical CO2 . , a power generation device 60 (see FIG. 18) that generates electricity using supercritical CO 2 heated by heat exchange, and a low-temperature generator that supplies heat to supercritical CO 2 in a main heat exchanger 86 and stores the low-temperature FLiNaK. A molten salt tank 85 is provided. In addition, in the power generation section 81, supercritical CO2 heated in the heat collecting section 12a may be circulated through the pipe 82 instead of the molten salt. Thereby, the power generation device 60 can also more efficiently generate power using supercritical CO 2 directly heated by the heat collecting portion 12a. Even at night when the sun is setting or in cloudy/rainy/snowy weather when the sun is not out, the power generation unit 81 can generate electricity using the heat stored in the molten salt in the high-temperature molten salt tank 84. According to the present invention, a power generation system throughout the day can be realized by switching between power generation by the power generation unit during the daytime described above and power generation unit 81 at night.

電力水素併産システム103では、放射線源は存在しないため1つの熱源12のみとなる。熱放射エネルギーは絶対温度の4乗に比例して増大するため、集熱部12aが高温になり過ぎると、放射熱損失が大きくなるが、集熱部12aをFLiNaKだけでなく超臨界CO が流れて冷却するようにすれば、超臨界CO に速やかに熱エネルギーが移行するため、水素製造と発電とを達成しつつ、放射熱損失も小さく抑えることができる。
(地熱を利用する態様)
In the electric power hydrogen co-production system 103, there is only one heat source 12 because there is no radiation source. Thermal radiation energy increases in proportion to the fourth power of the absolute temperature, so if the heat collecting part 12a becomes too high, the radiation heat loss increases . By flowing and cooling, thermal energy is quickly transferred to supercritical CO 2 , making it possible to achieve hydrogen production and power generation while also suppressing radiant heat loss.
(Mode of using geothermal heat)

図20には、本発明の第2の実施形態(高温地熱を利用する例)に係る、電力水素併産システム104が示されている。電力水素併産システム104では、地下深く位置するマグマ層12bからの高温度域の熱を利用して発電と水素製造とを達成する。
図20に示されるように、電力水素併産システム104は、マグマ層12bからの熱を十分に受けるように地下深く配置された、超臨界CO 分解部としてのCO配管2gと、超臨界CO 及びCOの循環経路4g、10gと、CO配管2gから送られてきたガスからCOを分離するゲッター材を有するCO分離回収炉90と、熱交換で加熱された超臨界CO を用いて発電を行う発電装置60(図18参照)と、マグマ層12bの高温度域で分解されたCOを含むガスと水とを用いた水性ガスシフト反応部3gと、マグマ層12bで加熱された超臨界CO を用いて発電を行う発電装置60(図18参照)と、を備える。
FIG. 20 shows an electric power and hydrogen co-production system 104 according to a second embodiment of the present invention (an example that uses high-temperature geothermal energy). The power and hydrogen co-production system 104 achieves power generation and hydrogen production using heat in a high temperature range from the magma layer 12b located deep underground.
As shown in FIG. 20, the power-hydrogen co-production system 104 includes a CO 2 pipe 2g as a supercritical CO 2 decomposition unit , which is placed deep underground to receive sufficient heat from the magma layer 12b, and a supercritical Using a CO 2 and CO circulation path 4g, 10g, a CO separation and recovery furnace 90 having a getter material that separates CO from the gas sent from the CO 2 pipe 2g, and supercritical CO 2 heated by heat exchange. A power generation device 60 (see FIG. 18) that generates electricity using water, a water gas shift reaction section 3g that uses water and a gas containing CO decomposed in the high temperature range of the magma layer 12b, and A power generation device 60 (see FIG. 18) that generates power using critical CO 2 is provided.

電力水素併産システム104によれば、マグマ層12bからの熱を運搬する媒体として超臨界CO を用いているため、水を用いる場合と比べてきわめて効率的に地下深くまで媒体を循環させて発電を行うことができると共に、水素を製造することができる。 According to the power-hydrogen co-production system 104, since supercritical CO2 is used as a medium to transport heat from the magma layer 12b, the medium can be circulated deep underground much more efficiently than when water is used. It is possible to generate electricity and also to produce hydrogen.

以上が本発明の実施形態であるが、本発明は、上記例に限定されるものではない。例えば、核融合発電炉は図11に示したトカマク型発電炉に限定されるものではなく、ブランケット又はダイバータを備える他の型式の核融合発電炉にも適用可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above examples. For example, the fusion power reactor is not limited to the tokamak-type power reactor shown in FIG. 11, but can also be applied to other types of fusion power reactors equipped with blankets or diverters.

また、上記例では、溶融塩としてFLiNaKを例にしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、十分に熱容量が大きく適切に使用することができる他の溶融塩を用いることができる。また、太陽熱の蓄熱材溶融塩として金属アルミニウムを用いることもできる。アルミニウムは熱伝導率が大きく、伝熱に有利な上、660℃で溶融し、融解熱及び比熱が大きいので、蓄熱(融解熱、顕熱)に有利となる。 Further, in the above example, FLiNaK was used as the molten salt, but the present invention is not limited thereto, and other molten salts that have a sufficiently large heat capacity and can be used appropriately can be used. Moreover, metal aluminum can also be used as a solar heat storage material molten salt. Aluminum has a high thermal conductivity and is advantageous for heat transfer, and also melts at 660° C. and has a large heat of fusion and specific heat, so it is advantageous for heat storage (heat of fusion, sensible heat).

1、1b 水素製造装置
2~2g 超臨界CO 分解部(CO配管)
3~3g 水性ガスシフト反応部
4~4g 第1の循環経路
5~5d 熱源
6~6d 放射線源
7~7d 1つの源(熱源及び放射線源)、原子力発電炉、核融合発電炉
8 第1の分離部
9 第2の分離部
10~10g 第2の循環経路
11 超臨界化機構
12、12a、12b 熱源(高温度域)、太陽光発電の集熱部、マグマ層
13 放射線源
14 1つの源(高温度域の熱源及び放射線源)
20 高レベル放射性廃棄物を収納した収納管
21 ガラス固化体
22 高レベル放射性廃棄物の施設
30 原子力発電炉の炉心
31 溶融塩循環経路
32 モータ付きポンプ
33 第2の配管
34 遮蔽シールド
35 発電装置
36 ガスタービン部
40 プラズマ真空容器
41 超伝導ヘリカルコイル
42 超伝導ポロイダルコイル
43 電磁力支持構造
44 クライオスタット(断熱真空容器)
45 ブランケット
46 ダイバータ
47 放射線・中性子増倍材
48 超臨界CO の入口配管
49 超臨界CO の出口配管
50 炉心プラズマ
51 ダイバータカセット
52 プラズマ真空容器40のための冷却水配管
53 配管接続部
55 熱交換器
56 入口配管
57 出口配管
58 入口ポート
59 出口ポート
60 超臨界CO を用いた発電装置
61 主熱交換器
62 低圧コンプレッサ
63 高圧コンプレッサ
64 バイパスコンプレッサ
65 ガスタービン
66 発電機
67a 第1の再生熱交換器
67b 第2の再生熱交換器
67c 前置冷却器
68 中間冷却器
69 溶融塩の循環経路
70~70e ダイバータ46又はダイバータカセット51を冷却する冷却配管(CO配管)
71~71e 配管部分
72~72e 表面プレート
73 配管部分を流れる超臨界CO
74a~74e 入口マニホルド
75a~75e 出口マニホルド
80 タワー
81 発電部
82 集熱部より加熱された溶融塩を循環させる配管
83 ヘリオスタット
84 高温溶融塩タンク
85 低温溶融塩タンク
86 熱交換器
90 CO分離回収炉
100,101,102,103,104 電力水素併産システム
1, 1b Hydrogen production equipment 2-2g supercritical CO 2 decomposition section (CO 2 piping)
3-3g Water gas shift reaction section 4-4g First circulation path 5-5d Heat source 6-6d Radiation source 7-7d One source (heat source and radiation source), nuclear power reactor, fusion power reactor 8 First separation Part 9 Second separation part 10 to 10g Second circulation path 11 Supercriticalization mechanism 12, 12a, 12b Heat source (high temperature range), heat collection part for solar power generation, magma layer 13 Radiation source 14 One source ( heat source and radiation source in high temperature range)
20 Storage pipe containing high-level radioactive waste 21 Vitrified material 22 Facility for high-level radioactive waste 30 Core of nuclear power reactor 31 Molten salt circulation path 32 Pump with motor 33 Second piping 34 Shielding shield 35 Power generation device 36 Gas turbine section 40 Plasma vacuum vessel 41 Superconducting helical coil 42 Superconducting poloidal coil 43 Electromagnetic force support structure 44 Cryostat (insulated vacuum vessel)
45 Blanket 46 Diverter 47 Radiation/neutron multiplier 48 Supercritical CO 2 inlet piping 49 Supercritical CO 2 outlet piping 50 Core plasma 51 Diverter cassette 52 Cooling water piping for plasma vacuum vessel 40 53 Piping connection 55 Heat Exchanger 56 Inlet piping 57 Outlet piping 58 Inlet port 59 Outlet port 60 Power generation device using supercritical CO 2 61 Main heat exchanger 62 Low pressure compressor 63 High pressure compressor 64 Bypass compressor 65 Gas turbine 66 Generator 67a First regeneration heat Exchanger 67b Second regenerative heat exchanger 67c Precooler 68 Intercooler 69 Molten salt circulation path 70 to 70e Cooling piping (CO 2 piping) that cools the diverter 46 or diverter cassette 51
71-71e Piping section 72-72e Surface plate 73 Supercritical CO 2 flowing through the piping section
74a to 74e Inlet manifold 75a to 75e Outlet manifold 80 Tower 81 Power generation section 82 Piping for circulating molten salt heated from the heat collection section 83 Heliostat 84 High temperature molten salt tank 85 Low temperature molten salt tank 86 Heat exchanger 90 CO separation and recovery Furnace 100, 101, 102, 103, 104 Electricity hydrogen co-production system

Claims (23)

水素製造装置であって、
γ線の照射下で超臨界COを臨界温度以上の温度に加熱することにより、CO/CO 比率が10%以上へと、前記γ線の照射下の未臨界のCOガスと比べて増大するように前記超臨界COをCO及びOに分解するためのCO熱分解反応を引き起こす、超臨界CO分解部と、
前記超臨界CO分解部で分解されたCOとHOとの間で水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、H及びCOを生成する、水性ガスシフト反応部と、
を備える、水素製造装置。
A hydrogen production device,
By heating supercritical CO 2 to a temperature above the critical temperature under γ-ray irradiation , the CO/CO 2 ratio becomes 10% or more compared to subcritical CO 2 gas under γ-ray irradiation. a supercritical CO 2 decomposition unit that causes a CO 2 pyrolysis reaction to decompose the supercritical CO 2 into CO and O 2 so as to increase the
a water gas shift reaction section that generates H 2 and CO 2 by causing a water gas shift reaction between CO decomposed in the supercritical CO 2 decomposition section and H 2 O ;
A hydrogen production device equipped with.
前記超臨界CO分解部は、外部の熱源からの熱及び外部の放射線源からのγ線を受け取るように配置された、超臨界COが導入されるCO配管を備える、請求項1に記載の水素製造装置。 2. The supercritical CO 2 decomposition section comprises a CO 2 pipe into which supercritical CO 2 is introduced, arranged to receive heat from an external heat source and gamma rays from an external radiation source. The hydrogen production device described. 前記水性ガスシフト反応部により生成されたCOを超臨界化した状態で前記超臨界CO分解部に戻す超臨界CO循環経路をさらに備える、請求項2に記載の水素製造装置。 The hydrogen production apparatus according to claim 2, further comprising a supercritical CO 2 circulation path that returns the CO 2 generated by the water gas shift reaction unit to the supercritical CO 2 decomposition unit in a supercritical state. 前記外部の熱源は、200℃から800℃の温度の熱源である、請求項2又は3に記載の水素製造装置。 The hydrogen production apparatus according to claim 2 or 3, wherein the external heat source is a heat source with a temperature of 200°C to 800°C. 水素製造装置であって、
超臨界COを1100℃以上の温度に加熱することにより、前記超臨界COをCO及びOに分解するためのCO熱分解反応を引き起こす、超臨界CO分解部と、
前記超臨界CO分解部で分解されたCOとHOとの間で水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、H及びCOを生成する、水性ガスシフト反応部と、
を備え、
前記超臨界CO分解部は、1100℃以上の高温度域の外部の熱源からの熱を受け取るように配置された、超臨界COが導入されるCO配管を備え、
前記CO配管は、前記超臨界COのCO熱分解反応により冷却される、水素製造装置。
A hydrogen production device,
a supercritical CO 2 decomposition unit that causes a CO 2 thermal decomposition reaction to decompose the supercritical CO 2 into CO and O 2 by heating the supercritical CO 2 to a temperature of 1100° C. or higher;
a water gas shift reaction section that generates H 2 and CO 2 by causing a water gas shift reaction between CO decomposed in the supercritical CO 2 decomposition section and H 2 O ;
Equipped with
The supercritical CO 2 decomposition unit includes a CO 2 pipe into which supercritical CO 2 is introduced, which is arranged to receive heat from an external heat source in a high temperature range of 1100° C. or higher,
In the hydrogen production device, the CO 2 piping is cooled by a CO 2 thermal decomposition reaction of the supercritical CO 2 .
前記外部の熱源は加熱ヒーターであり、前記外部の放射線源は60CO線源である、請求項2から4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 2 to 4, wherein the external heat source is a heater, and the external radiation source is a 60 CO radiation source. 前記外部の熱源は、核融合発電炉である、請求項に記載の水素製造装置。 The hydrogen production apparatus according to claim 5 , wherein the external heat source is a fusion power reactor. 前記CO配管は、前記核融合発電炉のダイバータを冷却する配管として構成される、請求項に記載の水素製造装置。 The hydrogen production apparatus according to claim 7 , wherein the CO 2 pipe is configured as a pipe that cools a diverter of the fusion power reactor. 前記ダイバータは、複数のダイバータカセットから構成される、請求項に記載の水素製造装置。 The hydrogen production device according to claim 8 , wherein the diverter is comprised of a plurality of diverter cassettes. 前記ダイバータカセットは、前記核融合発電炉の炉心プラズマから放射される熱を受け取るように配置されたタングステンのプレートと、該プレートの裏面側に連結された前記CO配管と、を備える、請求項に記載の水素製造装置。 The diverter cassette includes a tungsten plate arranged to receive heat radiated from the core plasma of the fusion power reactor, and the CO 2 pipe connected to the back side of the plate. 9. The hydrogen production device according to 9 . 前記プレートの裏面側に連結された前記CO配管は、複数の配管から構成される、請求項10に記載の水素製造装置。 The hydrogen production apparatus according to claim 10 , wherein the CO 2 pipe connected to the back side of the plate is composed of a plurality of pipes. 前記CO配管は、前記ダイバータに入力される超臨界COの入口配管と、前記ダイバータから出力されたガスの出口配管と、前記入口配管と前記出口配管との間で熱交換を行う熱交換器とを備える、請求項から11のいずれか1項に記載の水素製造装置。 The CO 2 pipe is a heat exchanger that performs heat exchange between an inlet pipe for supercritical CO 2 input to the diverter, an outlet pipe for gas output from the diverter, and the inlet pipe and the outlet pipe. The hydrogen production device according to any one of claims 8 to 11 , comprising: a container. 前記CO配管は、太陽光が集光される集熱部に配置される、請求項5に記載の水素製造装置。 The hydrogen production device according to claim 5, wherein the CO 2 piping is arranged in a heat collection part where sunlight is collected. 前記CO配管は、マグマ層からの熱を受け取るように地下に配置される、請求項5に記載の水素製造装置。 The hydrogen production device according to claim 5, wherein the CO 2 pipe is arranged underground so as to receive heat from a magma layer. 前記水性ガスシフト反応部は、触媒としてマグネタイト(Fe3O4)又は酸化第二鉄(Fe2O3)を備える、請求項1から14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 14 , wherein the water gas shift reaction section includes magnetite (Fe 3 O 4 ) or ferric oxide (Fe 2 O 3 ) as a catalyst. 請求項から12のいずれか1項に記載の水素製造装置と、
前記核融合発電炉と、
前記核融合発電炉によって加熱された超臨界COを循環させてガスタービンを回転させることによって発電する発電装置と、
を備える、電力水素併産システム。
The hydrogen production device according to any one of claims 7 to 12 ,
The fusion power reactor;
A power generation device that generates electricity by circulating supercritical CO 2 heated by the fusion power reactor and rotating a gas turbine;
A power and hydrogen co-production system equipped with
水素製造装置と発電装置とを備えた電力水素併産システムであって、
前記水素製造装置は、
原子力発電炉からの熱及び放射線を受け取るように配置された、超臨界COが導入されるCO配管を有し、前記熱及び放射線により該CO配管内の超臨界COをCO及びOに分解するためのCO熱分解反応を引き起こす、超臨界CO分解部と、
前記超臨界CO分解部で分解されたCOとHOとの間で水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、H及びCOを生成する、水性ガスシフト反応部と、
前記水性ガスシフト反応部により生成されたCOを超臨界化した状態で前記超臨界CO分解部に戻す超臨界CO循環経路と、
を備え、
前記原子力発電炉は、該原子力発電炉の炉心で発生した熱を伝達するための溶融塩が循環する溶融塩循環経路を備え、前記CO配管は、前記溶融塩循環経路内に配置され、
前記発電装置は、前記超臨界CO循環経路に配置され、前記超臨界CO循環経路を通って流れる超臨界COによりガスタービンを回転させることによって発電を行う、電力水素併産システム。
A power hydrogen co-production system comprising a hydrogen production device and a power generation device,
The hydrogen production device includes:
A CO 2 pipe into which supercritical CO 2 is introduced is arranged to receive heat and radiation from a nuclear power reactor, and the supercritical CO 2 in the CO 2 pipe is converted into CO and O by the heat and radiation. a supercritical CO2 decomposition unit that causes a CO2 pyrolysis reaction to decompose CO2 into 2 ;
a water gas shift reaction section that generates H 2 and CO 2 by causing a water gas shift reaction between CO decomposed in the supercritical CO 2 decomposition section and H 2 O ;
a supercritical CO 2 circulation path that returns the CO 2 generated by the water gas shift reaction section to the supercritical CO 2 decomposition section in a supercritical state ;
Equipped with
The nuclear power reactor includes a molten salt circulation path through which molten salt circulates for transferring heat generated in the core of the nuclear power reactor, and the CO 2 pipe is disposed within the molten salt circulation path,
The power generation device is arranged in the supercritical CO 2 circulation path, and generates electricity by rotating a gas turbine using the supercritical CO 2 flowing through the supercritical CO 2 circulation path.
水素製造装置と発電装置とを備えた電力水素併産システムであって、
前記水素製造装置は、
原子力発電炉からの熱及び放射線を受け取るように配置された、超臨界COが導入されるCO配管を有し、前記熱及び放射線により該CO配管内の超臨界COをCO及びOに分解するためのCO熱分解反応を引き起こす、超臨界CO分解部と、
前記超臨界CO分解部で分解されたCOとHOとの間で水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、H及びCOを生成する、水性ガスシフト反応部と、
を備え、
前記原子力発電炉は、該原子力発電炉の炉心で発生した熱を伝達するための溶融塩が循環する溶融塩循環経路を備え、前記CO配管は、前記溶融塩循環経路内に配置され、
前記発電装置は、前記超臨界CO分解部の前記CO配管から排出された、CO、CO及びOによりガスタービンを回転させることによって発電を行い、
前記水性ガスシフト反応部は、前記発電装置の前記ガスタービンを回転させた前記CO、CO及びOのうちCOを前記水性ガスシフト反応に利用し、前記水性ガスシフト反応により生成されたCOは前記CO配管に戻される、電力水素併産システム。
A power hydrogen co-production system comprising a hydrogen production device and a power generation device,
The hydrogen production device includes:
A CO 2 pipe into which supercritical CO 2 is introduced is arranged to receive heat and radiation from a nuclear power reactor, and the supercritical CO 2 in the CO 2 pipe is converted into CO and O by the heat and radiation. a supercritical CO2 decomposition unit that causes a CO2 pyrolysis reaction to decompose CO2 into 2 ;
a water gas shift reaction section that generates H 2 and CO 2 by causing a water gas shift reaction between CO decomposed in the supercritical CO 2 decomposition section and H 2 O ;
Equipped with
The nuclear power reactor includes a molten salt circulation path through which molten salt circulates for transferring heat generated in the core of the nuclear power reactor, and the CO 2 pipe is disposed within the molten salt circulation path,
The power generation device generates electricity by rotating a gas turbine using CO, CO 2 and O 2 discharged from the CO 2 pipe of the supercritical CO 2 decomposition unit,
The water gas shift reaction section utilizes CO out of the CO, CO 2 and O 2 that rotated the gas turbine of the power generation device for the water gas shift reaction, and the CO 2 generated by the water gas shift reaction is used for the water gas shift reaction. A power and hydrogen co-production system where CO2 is returned to the pipe.
請求項13に記載の水素製造装置と、
前記集熱部の熱により加熱された超臨界COによりガスタービンを回転させることによって発電を行う発電装置と、
を備える、電力水素併産システム。
The hydrogen production device according to claim 13 ,
a power generation device that generates electricity by rotating a gas turbine using supercritical CO 2 heated by the heat of the heat collecting section;
A power and hydrogen co-production system equipped with
請求項14に記載の水素製造装置と、
前記マグマ層の熱により加熱された超臨界COによりガスタービンを回転させることによって発電を行う発電装置と、
を備える、電力水素併産システム。
The hydrogen production device according to claim 14 ,
A power generation device that generates electricity by rotating a gas turbine using supercritical CO 2 heated by the heat of the magma layer;
A power and hydrogen co-production system equipped with
二酸化炭素を分解する方法であって、
γ線の照射下で、超臨界COを臨界温度以上の温度に加熱することにより、CO/CO比率が10%以上となるように超臨界COをCO及び酸素に分解する分解工程を備える、方法。
A method of decomposing carbon dioxide, the method comprising:
A decomposition process in which supercritical CO2 is heated to a temperature above the critical temperature under γ-ray irradiation to decompose supercritical CO2 into CO and oxygen such that the CO/ CO2 ratio is 10% or more. How to prepare.
二酸化炭素を分解する方法であって、
γ線の照射下で、COを25℃以上の温度に加熱すると共に7.38MPa以上の圧力に加圧することによってCO/CO比率が10%以上となるように前記COをCO及び酸素に分解する分解工程を備える、方法。
A method of decomposing carbon dioxide, the method comprising:
Under γ-ray irradiation, the CO 2 is heated to a temperature of 25° C. or higher and pressurized to a pressure of 7.38 MPa or higher, thereby converting the CO 2 into CO and oxygen so that the CO/CO 2 ratio becomes 10% or higher. A method comprising a decomposition step of decomposing into.
水素製造方法であって、
請求項21又は22に記載の方法の前記分解工程と、
前記分解工程により分解されたCOに水を加え、水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、H及びCOを生成する水ガスシフト工程と、
を備える、水素製造方法。
A method for producing hydrogen, the method comprising:
the decomposition step of the method according to claim 21 or 22 ;
A water gas shift step of adding water to the CO decomposed in the decomposition step to cause a water gas shift reaction to generate H 2 and CO 2 ;
A hydrogen production method comprising:
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