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久保 真治
日本エネルギー学会機関誌えねるみくす, 102(4), p.428 - 438, 2023/07
高温ガス炉は、安全性に優れる次世代の革新炉である。高温ガス炉より熱・蒸気・電気などを発生させ、これらを水素製造プロセスに与えることによって、水やメタンなどの原料から水素に製造することができる。本稿では、高温ガス炉の構造の概要、高温ガス炉の研究炉を用いた水素製造の実証計画、また、高温ガス炉を用いた水素製造法候補である熱化学水素製造法ISプロセスに関し、熱化学法の原理、日本原子力機構におけるISプロセスの研究開発の経緯と現状について紹介する。
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。
塩沢 周策; 小川 益郎; 日野 竜太郎; 小貫 薫; 坂場 成昭
火力原子力発電, 57(1), p.7 - 12, 2006/01
日本原子力研究開発機構が開発を進めている高温ガス炉を利用する水素製造に関し、環境・エネルギー問題と高温ガス炉水素製造の必要性,水素製造の現状と将来技術,高温ガス炉の構造と特徴,高温工学試験研究炉計画,水素製造に関する研究開発,高温ガス炉の導入及び長期的展望について解説する。
笠原 清司; 久保 真治; 小川 益郎
伝熱, 44(188), p.25 - 30, 2005/09
原研では高温ガス炉水素製造システムを構成する高温ガス炉,高温ガス炉と水素製造プロセスとのシステムインテグレーション技術,水素製造プロセスの各々について、研究開発を進めている。本稿では、高温ガス炉水素製造システムの研究開発の経緯と現状を、熱化学水素製造法ISプロセスに重点を置いて概説する。
小貫 薫
化学装置, 45(4), p.114 - 119, 2003/04
核熱を用いた水からの水素製造技術の研究開発の現状を概説した。まず、熱化学サイクルを構成することにより、水の直接熱分解に必要な温度より低温の熱のみを用いて水を分解できる熱化学水素製造法の原理を述べた。次いで、高温ガス炉を熱源として熱化学水素製造プロセスを駆動することにより、水素エネルギーシステムにおける大量の水素需要に応え得る炭酸ガスフリーの水素製造システムが構築できることを述べるとともに、これまでの熱化学サイクル研究の概要を紹介した。最後に、高温ガス炉-熱化学法による水素製造システムを具体化するための技術課題である原子炉技術,接続技術,熱化学サイクルについて総合的な研究開発を進めている原研のHTTR計画を紹介した。
小平 岳秀*; 池田 歩*; 松山 絵美*; 大浦 琴音*; 澤田 真一; 八巻 徹也; 野村 幹弘*
no journal, ,
本研究の目的は、放射線グラフト重合法によって、熱化学水素製造法ISプロセスの膜ブンゼン反応(SO
+ I + 2HO = HSO
+ 2HI)に必要なカチオン交換膜を開発することである。今回は、膜ブンゼン反応におけるHI濃縮性能の低下は膜内水の移動によって起こることから、水移動を抑制した化学架橋カチオン交換膜を作製した。試料は、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体膜を基材として、スチレンとジビニルベンゼン(DVB)の
線グラフト共重合によって作製し、その水透過性はパーベーパレーション試験により調べた。放射線グラフト重合によるカチオン交換膜は、ナフィオンと比較して、水透過流束が半分、水拡散係数の活性化エネルギーが約3倍であった。つまり、DVBによるグラフト鎖の化学架橋が水の透過抑制に有効に働くことが明らかになった。
八巻 徹也; 澤田 真一; 野村 幹弘*
no journal, ,
熱化学水素製造法ISプロセスにおいては、効率的な膜ブンゼン反応(SO + I + 2HO = HSO + 2HI)を実現することが重要である。我々は、放射線グラフト重合法を利用して、膜ブンゼン反応に用いるための新しいカチオン交換膜を開発することを目的としている。発表では、本研究の一環として、ISプロセスの大型化に必要な大面積カチオン交換膜の作製に向け、従来から用いられているセパラブルガラス容器と大型化が期待できるステンレス製容器の可能性について比較検討した。2種の容器で同様の反応性を得るためには、反応溶液の温度制御、基材膜の設置方法が最も重要であることが明らかになった。
久保 真治
no journal, ,
高温ガス炉の特長はその優れた安全性であり、被覆燃料粒子,黒鉛ブロック減速材,ヘリウムガス冷却材を用いることで固有の安全性として機能する。原子力機構は、高温ガス炉の実用化に向けてHTTRを建設し、これまで、950
C 50日間の運転を達成した。2020年6月、再稼動に向け、規制庁から原子炉設置変更許可を取得することができた。高温ガス炉は、発電システム,水素製造システム,水素-電気併産システムとユーザーニーズに応じた多様なシステムを構成することができる。熱化学水素製造法ISプロセスで用いる化学反応の温度は高温ガス炉の高温温度領域に適合しており、水分解による水素製造の熱源に原子力を用いることで、二酸化炭素の排出がない水素製造法を構築することができる。原子力機構におけるISプロセスの研究開発は、ガラス機器段階を脱し実用工業材料製機器試験の段階まで進捗している。耐食・耐熱性化学反応器を開発し、これらを統合して組み立てた水素製造試験装置を用いて150時間(毎時30L)の水素製造に成功した。今後はプラント自動運転技術の開発を経てHTTR熱利用(HTTRに熱利用設備を接続)試験を実施し安全基準の策定や総合性能検証を行い実用化に継げる計画である。
久保 真治
no journal, ,
我が国が宣言した2050年までにカーボンニュートラルの実現に向け、原子力は化石資源を使用しない安定的電力供給や非化石資源由来の水素製造などで貢献可能である。高温ガス炉は、被覆燃料粒子,黒鉛ブロック減速材,ヘリウムガス冷却材を用いることで物理的特性による優れた安全性を発揮する。原子力機構は、高温ガス炉の実用化に向けてHTTRの建設以降、安全性の実証などを進めてきた。2011年から長期運転停止していたが、2020年6月再稼動に向け規制庁から原子炉設置変更許可を取得し、2021年の運転再開を目指している。高温ガス炉は、コジェネシステム(発電,水素製造)を含めて多様な産業用の熱利用システムを構成することができる。熱化学水素製造法ISプロセスは高温ガス炉の高温温度域に適合した化学反応を駆動して、二酸化炭素の排出がない水分解による水素製造法を構築することができる。原子力機構におけるISプロセスの研究開発は、基礎的ガラス機器試験の次段階である実用工業材料製機器試験(セラミックス材,耐食ライニング材,耐食耐熱金属材)の段階まで到達している。本講演では、高温腐食環境に耐える反応器開発,水素製造試験,高効率化に向けた膜分離技術など、本プロセスの研究開発状況について紹介する。
久保 真治
no journal, ,
高温ガス炉の特長はその優れた安全性であり、BDBAにおいても炉心溶融が発生しないことが原子力規制庁に認められたことで大規模な追加工事をすることなく、2021年7月に運転再開することができた。カーボンニュートルの実現に向け、高温ガス炉を高温熱源として、ヘリウムガスタービン高効率発電システム、負荷変動吸収のための再生可能エネルギーとのハイブリッドシステム、水素還元製鉄への利用が期待されるカーボンフリー水素製造システムと様々な産業へ利用することが可能である。カーボンフリー水素製造システム(あISプロセス)の研究開発はガラス機器段階を脱し、実用工業材料製機器試験の段階まで進捗しており、150時間(毎時30L)の水素製造に成功している。原子力機構は、今後、2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略に示された工程表に則り、HTTRを活用した「固有の安全性」確認のための試験、カーボンフリー水素製造に必要な技術開発(HTTR-熱利用試験)および高温熱を利用したカーボンフリー水素製造技術(ISプロセス)の確立を進めていく計画である。
久保 真治
no journal, ,
高温ガス炉は、被覆燃料粒子・黒鉛ブロック減速材・ヘリウムガス冷却材を用いることで物理的特性による優れた安全性を発揮するとともに、非化石資源由来の水素製造などが可能である。高温ガス炉水素製造システムでは、原子炉で生じるエネルギーでヘリウムガスを加熱し、水素製造設備ではその顕熱を用いて水素を製造する。そのために、中間熱交換器や高温ヘリウム配管などの必要機器の耐圧部の耐圧性能を、ガス冷却・内部断熱・差圧設計などを用いて確保する必要がある。また、原子力機構におけるカーボンフリー水素製造法ISプロセスの研究開発は、基礎的ガラス機器試験の次段階である実用工業材料製機器試験(セラミックス材,耐食ライニング材,耐食耐熱金属材)の段階まで到達している。本講演では、高温熱の利用した水素製造法を検討中の核融合炉においても適用可能性を有する、高温ガス炉水素製造システムの構成と関連技術、カーボンフリー水素製造など水分解技術など、熱利用に係る機構の取組について紹介する。
