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論文

Current R&D status of thermochemical water splitting hydrogen production iodine-sulfur process in Japan Atomic Energy Agency, 1; Hydrogen production test and component development

竹上 弘彰; 野口 弘喜; 田中 伸幸; 岩月 仁; 上地 優; 笠原 清司; 今井 良行; 寺田 敦彦; 久保 真治

Proceedings of 9th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2018) (USB Flash Drive), 7 Pages, 2018/10

日本原子力研究開発機構では、高温ガス炉を熱源として利用する熱化学法ISプロセスによる水素製造法の研究開発を行っている。ISプロセスの実用化に向けて、主要反応器について耐食性及び処理性能に関する信頼性評価を完了し、これらの成果を基に、全系を実用工業材料で製作した100NL/h-H$$_{2}$$規模の連続水素製造試験装置を完成させた。本報では、これらのISプロセスの研究開発について、連続水素製造試験及び機器開発の現状・成果について報告する。

論文

Current R&D status of thermochemical water splitting hydrogen production iodine-sulfur process in Japan Atomic Energy Agency, 2; Reliability improvements of corrosion-resistant equipment

上地 優; 野口 弘喜; 竹上 弘彰; 田中 伸幸; 岩月 仁; 笠原 清司; 久保 真治

Proceedings of 9th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2018) (USB Flash Drive), 7 Pages, 2018/10

原子力機構では、原子力を用いた水素製造法として、高温ガス炉の熱利用法として有力候補の一つである熱化学法ISプロセスに関する研究開発を実施している。原子力機構はこれまでに、ガラス及びフッ素樹脂材料を用いた試験装置により、連続1週間、30NL/hの水素製造を達成した。その後、実用工業材料を用いた主要反応器を製作し、プロセス腐食環境における健全性を確認した。これらの結果を基に、実用工業材料を用いた、水素製造量100NL/h規模の試験設備を建造した。このうちグラスライニング鋼材は、容器、配管及びセンサー保護管等に用いられ、重要な材料の一つである。本報では、グラスライニング製熱電対保護管の信頼性向上に関する技術的要件を整理するとともに、品質向上確認として実施したガラス層のFEM応力解析、熱サイクル試験、曲げ荷重試験及び腐食試験について報告する。

論文

R&D status in thermochemical water-splitting hydrogen production iodine-sulfur process at JAEA

野口 弘喜; 竹上 弘彰; 笠原 清司; 田中 伸幸; 上地 優; 岩月 仁; 会田 秀樹; 久保 真治

Energy Procedia, 131, p.113 - 118, 2017/12

 被引用回数:3 パーセンタイル:1.43

ISプロセスは最も研究された熱化学水素製造プロセスである。現在、原子力機構は実用材料機器を用いた設備による試験の段階にある。主な課題は、プロセス全体の成立性と過酷な環境下での安定した水素製造の確証である。そのために、耐食材料を用いた水素製造能力100L/hの試験設備を作製した。初めに、工程ごとの試験により反応器や分離器の基礎的な性能を確認した。その後、全工程を接続して運転を行い、8時間連続での10L/hの水素製造に成功した。

論文

Current R&D status of thermochemical water splitting iodine-sulfur process in Japan Atomic Energy Agency

笠原 清司; 岩月 仁; 竹上 弘彰; 田中 伸幸; 野口 弘喜; 上地 優; 小貫 薫; 久保 真治

International Journal of Hydrogen Energy, 42(19), p.13477 - 13485, 2017/05

 被引用回数:10 パーセンタイル:24.53(Chemistry, Physical)

日本原子力研究開発機構では、高温ガス炉を熱源として利用する熱化学法ISプロセスによる水素製造法の研究開発を行っている。ISプロセスの実用化に向けて、主要反応器について耐食性及び処理性能に関する信頼性評価を完了し、これらの反応器を統合し全系を実用工業材料で製作した連続水素製造試験装置により2016年2月に10NL/h、8時間の水素製造を達成した。また、水素製造における熱効率向上を目指し、電解電気透析法(EED)に関する評価を行い、アノード側の硫酸精製の省略や、膜性能の向上により、大幅に必要熱量を低減できることを示した。本報では、これらのISプロセスの研究開発の現状・成果について報告する。

報告書

原子力における水素安全対策高度化ハンドブック(第1版)

日野 竜太郎; 竹上 弘彰; 山崎 幸恵; 小川 徹

JAEA-Review 2016-038, 294 Pages, 2017/03

JAEA-Review-2016-038.pdf:11.08MB

福島第一原子力発電所事故後に、シビアアクシデント時の水素対策は、我が国において大きな技術的課題として認識されるにいたった。しかし、原子力技術者と燃焼・爆発の専門家との間で共通の知識基盤を形成し、将来の原子力安全を確保、向上させていく努力は始まったばかりである。そのような活動の一つとして、「原子力における水素安全対策高度化ハンドブック」を、資源エネルギー庁受託事業「水素安全対策高度化」の一環として作成した。本ハンドブックでは以下を目指した:(1)原子力の技術者が理解しておくべき水素安全技術の先端を示す、(2)原子力技術者に協力すべき燃焼、爆発専門家向けに、原子力における水素安全の要点が示されているものとする、(3)事故後廃棄物管理までを視野に入れて、放射線分解水素に関する情報を拡充する、(4)過酷事故解析等の特定・狭義の専門家を対象にするものではなく、高度な解析式なしに迅速に図表で判断を助けるものとする、(5)解析技術者にも役立つように、詳細なデータベースの所在や、最新の解析ツールのオーバービューを添える。

論文

IS process hydrogen production test for components and system made of industrial structural material, 2; H$$_{2}$$SO$$_{4}$$ decomposition, HI distillation, and HI decomposition section

野口 弘喜; 竹上 弘彰; 上地 優; 田中 伸幸; 岩月 仁; 笠原 清司; 久保 真治

Proceedings of 8th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2016) (CD-ROM), p.1029 - 1038, 2016/11

原子力機構では、高温ガス炉の核熱利用技術として熱化学法ISプロセスの研究開発を行っている。工業材料を用いて100L/h規模の連続水素製造試験装置を製作した。初めに、本試験装置の各機器の機能確認を行うため、5つに分割された工程毎に試験を実施した。本報告では、5工程のうち、硫酸分解工程、HI蒸留工程及びHI分解工程の結果を示した。硫酸分解工程では、硫酸分解器による硫酸分解反応試験を行い、酸素製造量は供給硫酸量に比例することを示し、また、SO$$_3$$分解率は約80%であった。以上より、設計通りの性能を有していることを明らかにした。HI蒸留工程では、共沸以上のHIx水溶液を用いた蒸留試験を行い、塔頂から高濃度HI水溶液、塔底から共沸組成のHIx水溶液の生成を確認し、蒸留による分離が設計通りに行われていることを示した。HI分解工程では、HI分解器によるHI分解反応試験を行い、分解率約18%で安定した水素製造が可能であることを示し、設計通りの性能を有していることを示した。シリーズ(I)で示すブンゼン反応工程、HI濃縮工程の結果と合わせて、工程別試験を完了した。その後、これらの結果を基に、連続水素製造試験を実施し、8時間の水素製造に成功した。

論文

IS process hydrogen production test for components and system made of industrial structural material, 1; Bunsen and HI concentration section

田中 伸幸; 竹上 弘彰; 野口 弘喜; 上地 優; 岩月 仁; 会田 秀樹; 笠原 清司; 久保 真治

Proceedings of 8th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2016) (CD-ROM), p.1022 - 1028, 2016/11

原子力機構では、工業製材料を使用した100L/hr規模の連続水素製造試験装置を完成させた。連続水素製造試験に先立って、製作した各機器の機能確認を行うため、5つある工程の工程別試験をそれぞれ実施した。本発表では、5工程のうち、ブンゼン反応工程及びHI濃縮工程の結果を示した。ブンゼン反応工程では、供給された反応原料がブンゼン反応器において混合され、ブンゼン反応が進行しなければならない。反応原料のSO$$_{2}$$が全て溶液中に吸収されていることから、原料が確実に混合され、かつ、ブンゼン反応が速やかに進行していることを示し、ブンゼン反応器の機能が設計通りであることを明らかにした。HI濃縮工程では、製作した電解電気透析(EED)スタックを用いて、HI濃縮試験を実施した。その結果、既報の予測式に一致する濃縮性能を持つことを確認し、EEDスタックの機能確認を完了した。シリーズ(II)で示す硫酸工程, HI蒸留, HI分解工程の結果と合わせて、工程別試験を完了した。その後、これらの結果を基に、連続水素製造試験を実施し、8時間の水素製造に成功した。

報告書

熱化学水素製造法ISプロセスの実用材料製反応機器およびヨウ化水素濃縮技術に関する研究開発

久保 真治; 岩月 仁; 竹上 弘彰; 笠原 清司; 田中 伸幸; 野口 弘喜; 上地 優; 小貫 薫

JAEA-Technology 2015-028, 32 Pages, 2015/10

JAEA-Technology-2015-028.pdf:23.69MB

熱化学水素製造法ISプロセスは、水素社会に向けた大量の水素を安定に供給できる水素製造技術の候補として期待されている。実用材料製反応機器の健全性及びヨウ化水素濃縮技術の研究を実施した。機器健全性の研究では、ISプロセスを構成する3つの反応工程について、実用材料製反応機器の試作試験を行った。ブンゼン反応工程では、フッ素樹脂被覆材等を素材とするブンゼン反応器を製作し、反応溶液を循環しつつ30回の熱サイクル負荷試験を行って健全性を確認した。硫酸分解反応工程では、炭化ケイ素製硫酸分解反応器を製作し、100時間の反応試験を行って健全性を確認した。同様に、ヨウ化水素分解反応工程では、ハステロイC-276を装置材料に用いてヨウ化水素分解反応器を製作し、100時間の反応試験を行って健全性を確認した。ヨウ化水素濃縮技術の研究では、カチオン交換膜を用いてHIx溶液を濃縮する電解電気透析法に取り組み、アノード液中の微量硫酸は濃縮挙動に影響しないことを見出して、HIx溶液の精製操作を簡略化できる可能性を明らかにした。さらに、Nafion膜及び放射線グラフト重合法で試作したETFE-St膜の性能を予測するため、Nernst-Planck式とSmoluchowski式に基づいてプロトン輸率, 水透過係数, 膜内IR損を定式化し、HIx溶液の電解電気透析における濃縮効率を支配する、膜におけるプロトン透過選択性、溶媒水透過性および膜の電気抵抗(IR損に伴なう電位差)の推算を可能にした。

論文

Cosmic-ray muon radiography for reactor core observation

高松 邦吉; 竹上 弘彰; 伊藤 主税; 鈴木 敬一*; 大沼 寛*; 日野 竜太郎; 奥村 忠彦*

Annals of Nuclear Energy, 78, p.166 - 175, 2015/04

 被引用回数:3 パーセンタイル:53.75(Nuclear Science & Technology)

福島第一原子力発電所の燃料デブリの状況把握に向けた炉内可視化の技術開発として、原子炉内可視化に宇宙線ミューオンの適用性を検証するため、原子力機構のHTTRを対象とした炉内可視化予備試験を実施した。その結果、原子炉圧力容器(RPV)および原子炉格納容器(CV)の外側から、同時計数法を用いた宇宙線ミューオン可視化技術により、炉心および炉内構造物を可視化できた。

論文

水の熱化学分解

小貫 薫; 野口 弘喜; 田中 伸幸; 竹上 弘彰; 久保 真治

表面科学, 36(2), p.80 - 85, 2015/02

水の熱化学分解による水素製造について、特にISプロセスに関する要素技術の研究開発状況を紹介する。熱化学水素製造法は熱エネルギーにより水を分解し水素を製造する。高温吸熱反応と低温発熱反応の反応サイクルが水分解に必要な自由エネルギーを生み出す。多くのプロセス構成が提案されてきたが、硫酸分解反応を高温吸熱反応に用いる硫黄系と呼ばれる一群の熱化学プロセスは常に研究者の関心を集めてきた。ISプロセスは硫黄系プロセスを代表する熱化学プロセスであり、これまでに、ISプロセスによる連続水分解の可能性が検証され、また、過酷なプロセス環境で用いる耐食性装置材料の候補材料も選定されている。現在、水素製造能力向上を目指して、分離膜技術の適用及び高性能触媒の開発研究が行われている。また、セラミックスのような候補材料を用いた反応器の開発が進められている。

論文

Integrity test on ceramics sulfuric acid decomposer in thermochemical iodine-sulfur process

野口 弘喜; 久保 真治; 岩月 仁; 田中 伸幸; 笠原 清司; 竹上 弘彰

Proceedings of 20th World Hydrogen Energy Conference (WHEC 2014) (USB Flash Drive), 5 Pages, 2014/06

熱化学法ISプロセスの実用化に向けて、ISプロセスの厳しい腐食環境における実用工業材料製反応器の信頼性の検証が重要な課題の一つである。原子力機構では、ISプロセスの3つの反応工程について、各工程の主要な反応器を実用材料で試作し、実プロセス環境における反応器の信頼性確証試験を実施している。硫酸分解反応工程の主要機器である硫酸分解器では、硫酸沸騰及び高温での熱分解反応が行われるため厳しい腐食環境にさらされる。本環境で耐食性を有する炭化ケイ素を使用したバイヨネット型硫酸分解器を試作し、さらに、試作した硫酸分解器の実プロセス環境における信頼性を検証するための試験装置を製作した。本報では、反応器及び試験装置の概要、今後実施予定の分解器の性能試験、実プロセス環境における耐久性試験の計画を述べる。

論文

Development of strength evaluation method for high-pressure ceramic components

竹上 弘彰; 寺田 敦彦; 稲垣 嘉之

Nuclear Engineering and Design, 271, p.253 - 256, 2014/05

 被引用回数:1 パーセンタイル:85.45(Nuclear Science & Technology)

ISプロセス水素製造法では、強腐食性の硫酸やヨウ化水素等を用いるため、耐食機器の開発が進められている。この中で、ISプロセスにおける硫酸工程においては、耐硫酸性に優れた炭化ケイ素(SiC)を用いた硫酸分解器の開発を進めている。硫酸分解器の実用化には、ISプロセスを高圧運転するために必要な高圧ガス保安法の認可を取得しなければならないが、構造体の破壊強度に体積依存性があるセラミックス材料における設計手法が確立されておらず、認可取得の前例が無い。そこで、本研究では、SiC構造体の強度分布に関するモンテカルロシミュレーションを実施し、この結果を基に設計手法の確立に必要な高圧セラミックス機器の強度評価手法を開発し、モデル破壊試験によりその妥当性を検証した。

論文

Components development for sulfuric acid processing in the IS process

野口 弘喜; 久保 真治; 岩月 仁; 笠原 清司; 田中 伸幸; 今井 良行; 寺田 敦彦; 竹上 弘彰; 上地 優; 小貫 薫; et al.

Nuclear Engineering and Design, 271, p.201 - 205, 2014/05

 被引用回数:3 パーセンタイル:61.51(Nuclear Science & Technology)

日本原子力研究開発機構では、高温ガス炉の核熱を用いて水から水素を製造する熱化学法ISプロセスの研究開発を進めており、特に、ISプロセス機器の信頼性確証及びプロセス簡素化に向けた研究開発を行っている。ISプロセス機器の信頼性確証の一環として、硫酸工程の主要機器である硫酸分解器について、熱交換部をSiCセラミックス、マニフォールド部をグラスライニング材で構成されたバイヨネット型硫酸分解器を試作し、その製作性を示した。また、硫酸工程のプロセス簡素化が可能な直接接触熱交換器の設計に必要となる物質移動係数の測定方法を検討し、濡れ壁塔を用いた試験装置を設計・製作した。製作した試験装置を用いて水の物質移動係数を測定し、実験相関式と比較することにより試験装置の妥当性を確認し、硫酸の物質移動係数の測定準備が完了した。

報告書

廃ゼオライトの長期保管方策の検討; 水素拡散/燃焼影響評価解析システムの整備

寺田 敦彦; 竹上 弘彰; 上地 優; 日野 竜太郎

JAEA-Data/Code 2013-011, 53 Pages, 2014/03

JAEA-Data-Code-2013-011.pdf:4.29MB

福島第一原子力発電所の事故では、汚染滞留水を淡水化するため、放射能源であるセシウムをゼオライトで吸着し除去する汚染水処理システムが稼働している。ゼオライトは吸着塔に充填して使用され、使用済みの廃ゼオライトは吸着塔に充填したまま長期保管する。このとき、廃ゼオライトに吸着された水分や吸着塔内の残留水が放射線分解して水素と酸素を発生する。そこで、水素拡散挙動や、万が一の水素燃焼・爆発に対する安全対策の妥当性を確認するため、詳細な水素濃度/温度分布をもとに、水素燃焼・爆発事故時の事象推移とそれらの影響を解析する水素拡散/燃焼影響評価解析システムを整備した。本報告では、整備した解析システムの概要、機能確認のために実施した予備解析評価結果を紹介する。

論文

宇宙線ミューオンによるHTTR内部構造の可視化予備試験

竹上 弘彰; 高松 邦吉; 伊藤 主税; 日野 竜太郎; 鈴木 敬一*; 大沼 寛*; 奥村 忠彦*

日本原子力学会和文論文誌, 13(1), p.7 - 16, 2014/03

東京電力福島第一原子力発電所(福島第一原発)の事故では、溶融・固化した燃料がデブリとなり、その一部は圧力容器を貫通し格納容器内に落下していると推定されており、燃料デブリの状況把握が重要な課題となっている。本研究では、原子炉の外側から燃料デブリの位置情報を取得するための一方策として、ミューオンを用いた原子炉内部構造の可視化の可能性を探るため、既存のミューオン測定装置を用いて日本原子力研究開発機構の高温工学試験研究炉(HTTR)内部構造の可視化予備試験を行った。さらに、予備試験の結果を基に、福島第一原発の可視化に適用する場合の課題を抽出し、対策を検討した。その結果、同時計数法を用いた宇宙線ミューオン可視化技術により、原子炉内の炉心、コンクリート壁といった特徴的な構造を可視化できることを示した。また、福島第一原発敷地内での測定における課題と対策を検討した結果、既存技術による装置の改造等で、新たな技術開発を行うことなく対応可能であることを示した。

報告書

オンサイト非破壊検査技術の開発; HTTRの内部構造可視化予備試験

竹上 弘彰; 寺田 敦彦; 野口 弘喜; 上地 優; 小野 正人; 高松 邦吉; 伊藤 主税; 日野 竜太郎; 鈴木 敬一*; 大沼 寛*; et al.

JAEA-Research 2013-032, 25 Pages, 2013/12

JAEA-Research-2013-032.pdf:3.56MB

本研究では、原子炉建屋外から非破壊で燃料デブリの位置情報を取得可能な技術の候補として、宇宙線ミューオンを用いた非破壊検査技術に着目した。この技術は地盤探査を目的として開発された技術であることから、原子炉内部調査への適用性を検証するため、既存のミューオン受光システムを用いて、大洗研究開発センターに設置されている高温工学試験研究炉(HTTR)の内部構造可視化予備試験を実施した。可視化予備試験の結果、同時計数法を用いたミューオン非破壊検査技術により、HTTR内部の炉心、コンクリートのような高密度の構造物が判別可能であることを示した。また、オンサイト測定における課題を検討した結果、既存装置の改良により対応可能であることを示した。

論文

宇宙線ミュー粒子による原子炉内部構造可視化試験

鈴木 敬一*; 大沼 寛*; 竹上 弘彰; 高松 邦吉; 日野 竜太郎; 奥村 忠彦*

社団法人物理探査学会第129回(平成25年度秋季)学術講演会講演論文集, p.131 - 134, 2013/10

福島第一原子力発電所では、事故により核燃料が冷却できず溶融したため、燃料デブリが原子炉格納容器の下部に溜まっていると推定される。廃炉のためには、この燃料デブリを取り出す必要があるが、現時点でその大きさや場所は不明である。しかし、燃料デブリに含まれるウランやプルトニウムは密度が大きく、宇宙線ミュー粒子の吸収が大きくなることから、高密度の物質を容易に透過する宇宙線ミュー粒子を用いることで、非接触かつ非破壊状態で原子炉内部の可視化ができると考えられる。そこで、高温工学試験研究炉(HTTR)の原子炉格納容器の外側に5つの測定点を設け、1測定点あたり5方向の扇形測線を設定し、HTTRを透過した宇宙線ミュー粒子を計測した。その結果、原子炉格納容器内にある原子炉圧力容器に相当する位置で高密度領域が確認され、宇宙線ミュー粒子による非破壊検査技術の可能性を示すことができた。今後も、福島第一原子力発電所での実用化に向けて研究開発を進める予定である。

論文

水素拡散燃焼影響評価のための設計支援システムの整備

寺田 敦彦; 上地 優; 竹上 弘彰; 日野 竜太郎

日本機械学会九州支部講演論文集, p.7 - 8, 2013/09

原子力機構では、今後の廃止措置、廃棄物管理における水素安全評価・対策に適切に対応するための基盤技術の高度化整備を図ることを目的として、水素の発生から拡散、燃焼・爆発に至る事象推移を解析評価する水素混合系流動解析システムの構築を進めている。本稿では、本システムの概要と、開発の一環として実施した水素漏洩拡散シミュレーションの実験解析について報告する。

論文

ISプロセス水素製造法におけるSiC製硫酸分解器の設計

竹上 弘彰

セラミックス, 48(1), p.28 - 32, 2013/01

ISプロセス法は、高温ガス炉の熱を利用した大量水素製造法であり、濃硫酸やヨウ化水素等の強腐食性の流体を用いる。したがって、実用化には高温高圧の厳しい腐食環境下で使用可能な装置材料の選定・機器開発が不可欠であり、優れた耐食性と高温強度を有するセラミックスが有力な候補となる。さらに、熱源に高圧ヘリウムガスを用いるため、実用化には高圧ガス保安法といった法令に対応させる必要がある。このような課題の解決には、セラミックス構造体の設計手法が必要であるものの、一般的な手法が確立されていない。そこで、既存の構造設計基準類を参考にセラミックスの構造設計手法の考え方を検討した。本稿では、原子力機構で行った、ISプロセスで用いるSiC製硫酸分解器の構造設計に関する取り組みを紹介する。

論文

Components for sulfuric acid processing in the IS process

野口 弘喜; 久保 真治; 岩月 仁; 笠原 清司; 田中 伸幸; 今井 良行; 寺田 敦彦; 竹上 弘彰; 上地 優; 小貫 薫; et al.

Proceedings of 6th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2012) (USB Flash Drive), 6 Pages, 2012/10

日本原子力研究開発機構では、高温ガス炉の核熱を用いて水から水素を製造する熱化学法ISプロセスの研究開発を進めている。本報では、ISプロセスの硫酸工程に関する機器の開発現状について述べる。硫酸工程の主要機器である硫酸分解器の健全性評価を目的とした試験計画を策定し、SiCセラミックス製のバイヨネット型硫酸分解器を製作した。また、並行して硫酸工程のプロセス簡素化が可能な直接接触熱交換器の設計に必要となる物質移動係数の測定方法を検討し、濡れ壁塔を用いた試験装置を設計・製作した。製作した試験装置を用いて水の物質移動係数を測定し、実験相関式と比較することにより試験装置の妥当性を確認した。

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