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論文

Reduction on high level radioactive waste volume and geological repository footprint with high burn-up and high thermal efficiency of HTGR

深谷 裕司; 西原 哲夫

Nuclear Engineering and Design, 307, p.188 - 196, 2016/10

AA2015-0894.pdf:0.58MB

 被引用回数:2 パーセンタイル:69.72(Nuclear Science & Technology)

高温ガス炉の高燃焼度、熱効率による高レベル放射性廃棄物の減容及び処分場専有面積の低減効果の研究を行った。ヘリウム冷却黒鉛減速商用高温ガス炉はGTHTR300として設計され、その特徴には、120GWd/t程度の非常に高い燃焼度、50%程度の高い熱効率、およびピンインブロック型燃料があげられる。このピンインブロック型燃料は再処理時の黒鉛処理量低減のために導入された経緯があり、本研究では、この特徴を直接処分に利用した効率の高い廃棄物装荷法を提案する。結果として、直接処分に対し、高温ガス炉の発電量当たりのキャニスター発生体数とその処分場専有面積は、軽水炉の代表ケースに対し60%減となることが分かった。これは、高い燃焼度、発電効率、少ないTRU発生量と提案した効果的な廃棄物装荷法によるものである。一方で、再処理時の高レベル廃棄物のキャニスター発生体数とその処分場専有面積に関しては、発電効率の30%程度高い高温ガス炉のものが軽水炉に比較し30%低減することが確認できた。

論文

高温ガス炉ガスタービン発電システム

國富 一彦; 片西 昌司; 塩沢 周策

日本原子力学会誌, 43(11), p.1085 - 1099, 2001/11

高温ガス炉は、高温の熱が取り出せる、固有の安全性が高い、多様な燃料サイクルに対応可能等の既存炉にない特長を有している。これらの特長を生かした高温ガス炉ガスタービン発電システムは、2010年代のエネルギー源として期待されている。本報は、原研が設計研究を行っている高温ガス炉ガスタービン発電システム(GTHTR-300)の特長及びこれまでの設計検討結果,今後の設計,関連するR&Dの内容とスケジュールを示したものである。GTHTR-300は、炉心設計の工夫により燃料交換期間を2年間として稼働率を向上させる、原子炉圧力容器を1次ヘリウムガスで冷却して原子炉圧力容器材料に軽水炉と同材料を用いるなどの新しい設計により、発電コスト4円/kWhの達成を目標にしている。また、高い安全性を考慮して、安全設備の簡素化を行い、経済性の向上を図っている。

論文

高温ガス炉

武藤 康; 國富 一彦

火力原子力発電, 52(10), p.1279 - 1286, 2001/10

発電技術の将来展望として、高温ガス炉ガスタービン発電システムに関する研究開発の動向,技術的成立性と開発課題,安全性と運転特性,核燃料の有効利用と放射性廃棄物低減,経済性及び将来展望につき解説した。技術的成立性に関しては、ブロック型高温ガス炉が大容量化し易い点でペブル型よりも優れていること、ガスタービンシステムの選択肢(インテグラル型と分離型,立置きと横置き,単軸と多軸)にかかわる技術課題と選定結果につき記した。核燃料の有効利用と放射性廃棄物低減に関しては、軽水炉に比べて高燃焼度を達成できることと高い熱効率のために、非常に有利な特性が得られることを解説した。経済性については高温発電における算定結果に基づき、経済性においても軽水炉よりも優れていることを述べた。最後に将来展望として熱効率向上の可能性と国際協力の重要性につき記した。

論文

Improvement in the design of helium turbine for the HTGR-GT power plant

武藤 康; 石山 新太郎; 猪亦 麻子*; 岸部 忠晴*; 皆月 功*; 松本 岩男*; Levet, F.*

Proceedings of ASME Turbo Expo 2001 (CD-ROM), 8 Pages, 2001/00

本報告は科学技術庁から原研に委託された「高温発電システムフィージビリティスタディ」の成果をまとめたものである。熱出力600MW、原子炉出口温度850$$^{circ}C$$、圧力6MPaの高温ガス炉に接続するヘリウムガスタービン発電系統についての予備設計からの改良点につきまとめた。改良の目標はガスタービンロータのコンパクト化であり、タービンについては負荷係数とコード長さの変更により、圧縮機については詳細な応力解析によりコンパクト化に成功した。また軸系についても、磁気軸受の設計による改良を行い、高圧圧縮機とタービン間の軸受の削除及び発電機ロータの応答倍率の縮少に成功した。さらに、遠隔保守により、ガスタービンロータを収納容器から引抜き、検査の上、再組立できることを示した。これらの改良設計の結果、正味46%の高い熱効率の魅力的な設計概念を構築できた。

論文

高温ガス炉ガスタービンシステムの技術課題とその解決法

武藤 康; 石山 新太郎

日本原子力学会誌, 42(10), p.1020 - 1027, 2000/10

 被引用回数:1 パーセンタイル:87.33(Nuclear Science & Technology)

熱効率が高く核燃料資源の節約や放射性廃棄物量低減に有効な高温ガス炉ガスタービン発電プラントの基本的特徴及び技術課題について、特会受託研究「高温発電システムフィージビリティスタディ」の成果に基づいて記述した。すなわち、最適な原子炉入り口ガス温度が圧力容器材料温度には厳しすぎる問題については2種類の解決策を考えていること、ヘリウムガスタービンは段数が多くなる傾向があり、一方ガスタービン機器はまとめて圧力容器内に配置する必要があることから、軸振動と保守が最重要課題となること、これについては横置きでタービン容器と熱交換容器を分離する方法によりほぼ解決されること、経済性の観点から重要な再生熱交換機効率95%のプレートフィン型熱効率器について試作及び流動解析により見通しが得られつつあることにつき述べた。

報告書

超臨界圧軽水冷却高速炉の大出力化の検討

越塚 誠一*

JNC-TJ9400 2000-011, 102 Pages, 2000/03

JNC-TJ9400-2000-011.pdf:2.71MB

超臨界圧軽水冷却高速炉の大出力化の可能性を検討するため、大型の高温超臨界圧軽水冷却高速炉(SCFR-H)の設計研究を行った。臨界圧軽水冷却炉は現在の火力ボイラーの主流である貫流型直接サイクルを採用し、超臨界水を冷却材とすることで、現行の軽水炉と比較してシステムの大幅な簡素化、コンパクト化および熱効率の向上が可能になる概念である。本検討にて、ブランケット上昇流冷却型SCFR-H、ブランケット下降流型SCFR-H及び高出力型SCFR-Hの3種類の炉心を設計した。いずれも熱効率が43%を超え、冷却材密度係数を正に保ちつつ電気出力1600MWを上回る概念である。熱中性子炉であるSCLWR-H(電気出力1212MW)と、同一の原子炉圧力容器内径の条件の下に比較検討し、電気出力で最大約1.7倍増加できることが示された。出力増大という観点からは、燃料配置を稠密にできる高速炉の方が、十分な減速材領域を必要とする熱中性子炉よりも出力密度を高めることができるため有利である。すなわち、超臨界圧軽水冷却炉では、高出力を目指した高速炉にすればさらに経済性が向上すると結論できる。

論文

高温ガス炉ガスタービン用コンパクト熱交換器の概念検討

石山 新太郎; 武藤 康; 笠羽 道博*; 金田 隆良*

日本原子力学会誌, 42(3), p.196 - 203, 2000/03

 被引用回数:1 パーセンタイル:87.33(Nuclear Science & Technology)

高温ガス炉ガスタービン直接発電システム(HTGR-GT)の高効率化を図るとともに経済性を高めるためにはコンパクトで熱効率が95%以上の再生熱交換器を設計する必要がある。本報告では、このコンパクト熱交換器について超細密オフセットフィン構造(フィン高さ/ピッチ=1.0/1.0~1.5/1.5mm、フィン厚さ=0.1~0.15mm)、多段積層型及び並流型/U型流量配置を採用することにより、伝熱及び構造強度の観点からその設計成立性の検証を行うとともに最適基本設計を実施した。その結果、熱効率95%で低圧損($$leq$$2%)、しかも同程度の高伝熱面積密度を有する宇宙航空用コンパクト熱交換器の4倍以上に相当する20MW/m$$^{3}$$級の伝熱密度を有し、かつオープンサイクル用のものと比較して約3倍以上の耐圧構造の再生熱交換器を設計できた。本報告では、この再生熱交換器について、その基本的な形式や形状及び性能に関する検討の結果、並びにその基本設計仕様を明らかにしつつ、高性能熱交換器に関する今後の課題について整理した。

論文

低レベル放射性雑固体廃棄物のプラズマ溶解処理技術; プラズマ加熱方式の溶融特性

福井 寿樹; 中塩 信行; 磯部 元康; 大竹 敦志*; 涌井 拓治*; 中島 幹雄; 平林 孝圀*

第7回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集 (00-11), p.356 - 359, 2000/00

原子力施設において発生する低レベル雑固体廃棄物の減容・安定化技術として、プラズマ加熱を用いた溶融処理技術の開発を行っている。本報告では、プラズマ溶融の基本的な溶融特性を把握するため、コンクリート及びステンレス鋼を模擬廃棄物とした溶融試験を実施し、昇温挙動や熱収支(加熱効率)等の昇温特性を明らかにした。また、コンクリートに模擬焼却灰やステンレス鋼を添加した模擬廃棄物を用いて、放射能挙動(均一性,残存率)やスラグ成分の揮発挙動等を確認した。

論文

Design study of helium turbine for the 300MW HTGR-GT power plant

武藤 康; 石山 新太郎; 福山 佳孝*; 納本 淳司*; 岸部 忠晴*; 山田 誠也*

Proceedings of 45th ASME International Gas Turbine & Aeroengine Technical Congress, Exposition and Users Symposium (CD-ROM), 8 Pages, 2000/00

本報告は科学技術庁から原研に委託された高温ガス炉ガスタービンのフィージビリティスタディの中で実施された熱出力300MW発電プラントの設計結果をまとめたものである。ヘリウムガスの比熱が空気の5倍と大きいことに起因して、ヘリウムタービンの段数が多く翼長が短くなる傾向がある。特に300MWクラスの比較的小容量機では、このことが設計上の大きな課題となっている。これに関し、まず回転数を高くして周波数変換器をつけた場合と同期回転数の設計結果の予備検討につき記し、後者について詳しい設計結果を述べる。得られた効率は、タービン、低圧圧縮機、高圧圧縮機に対して、各々93.09%,89.92%,90.25%であり、十分高性能であった。発電機設計及び軸系設計とも問題はなく、本プラントの技術的成立性及び熱効率が48.2%の高い値が期待できることが確認された。

論文

高圧ガス炉ガスタービン発電システム開発,1; 我が国における開発の現状

武藤 康; 宮本 喜晟; 田中 利幸

火力原子力発電, 50(9), p.1123 - 1130, 1999/09

高温ガス炉に閉サイクルガスタービンを接続することにより、高効率の原子力発電所になると期待できる。それゆえ、本プラントは地球温暖化問題を解決する有効な手段であり、科学技術庁の予算により原研においてフィージビリティスタディが開始された。本プラントの備える特徴、本スタディの成果である600Mwtプラントの設計及び試作した細密プレートフィン型再生熱交換器モデルの内容、将来の高性能化の可能性(原子炉出力ガス温度の上昇、高温FPフィルター、原子炉圧力容器温度、セラミックヘリウムガスタービン)、回転数を3倍にすることにより出力を1/20にするタービンの開発試験方法について述べる。

論文

Preliminary design of 600MWt HTGR-gas turbine plant

武藤 康; 宮本 喜晟; 塩沢 周策

Proceedings of 7th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-7) (CD-ROM), 10 Pages, 1999/00

本研究は科学技術庁から原研への電源特別会計による研究「高温発電システムのフィージビリティスタディ」の成果である。熱出力600MWtの高温ガス炉に直接ガスタービン中間冷却再生サイクルを接続した発電プラントの設計を行うことにより、構成機器の仕様及び熱効率を明らかにした。本設計の特徴は、原子炉においては一体成形型燃料ピン及びC/C制御棒被覆管の採用により、出力密度6MW/m$$^{3}$$と燃焼度100GWD/tonを達成するとともに、原子炉入口ガス温度を通常よりもやや低い460$$^{circ}$$Cに選定することにより、原子炉圧力容器重量を製造可能範囲まで軽減したことである。タービン系に関しては、タービン、圧縮機の断熱効率をそれぞれ93%及び90%と高い値とし、かつ製作・保守可能な軸系設計及び配置を達成したことである。このような設計により、原子炉プラントとしては非常に高い46%の正味熱効率を達成することができた。

論文

Design study of helium turbine for the 600MWt HTGR-GT power plant

武藤 康; 石山 新太郎; 田沼 唯士*; 岸部 忠晴*; 松本 岩男*

Proceedings of International Gas Turbine Congress 1999 Kobe, I, p.313 - 320, 1999/00

本報告は、電源特別会計予算として科学技術庁より原研に委託された高温発電フィージビリティスタディの成果である。熱出力600MWtの高温ガス炉(原子炉出入口ガス温度=850$$^{circ}C$$/460$$^{circ}C$$)に直接再生サイクルヘリウムガスタービンを接続した発電プラントのガスタービン系統の設計結果について述べる。タービンについては、段数、負荷係数及び流量係数の選定、圧縮機については、段数の選定及び設計結果としてのディフュージョンファクター及び負荷係数について述べる。設計の結果、タービン、低圧圧縮機及び高圧圧縮機の断熱効率は、それぞれ93.3%、89.3%、89.2%となった。発電機については本体の設計及び起動用電動機としての役割について記す。さらに、ダイアフラムカップリングにより3分割されたローターの軸系計算結果を記す。以上の設計結果として、正味発電効率として46.7%の値が得られた。

論文

定常トカマク核融合炉:SSTRおよびA-SSTR

菊池 満

プラズマ・核融合学会誌, 74(9), p.944 - 946, 1998/09

SSTRは1990年に原研が実施した、定常トカマク炉の概念検討であり、自発電流(ブートストラップ電流)を最大限に利用したものである。一方、A-SSTRは、SSTRの検討結果をベースにしつつ、経済性の観点で改善を行うためのに大幅な合理性を図ったものである。A-SSTRでは、高温超電導体を低温で用いることにより、高磁界を発生させ、トカマク本体をコンパクト化するとともに、2台設置による共通設備の合理化、熱効率の改善による高性能化を目指している。

論文

最近の核融合炉設計と炉心プラズマの課題

菊池 満

プラズマ・核融合学会誌, 74(8), p.787 - 794, 1998/08

最近の核融合炉設計の特性を、定常運転、熱効率、燃焼制御、構造材料と経済性の観点から記述する。より詳細な議論として、電流分布制御、ベータ限界を決める現象(理想及び抵抗性MHD安定性)、ダイバータ(He排気、高閉じ込めとの共存性)などの炉心プラズマ技術に関する開発課題について述べた。最近の各国のトカマク炉の設計は、定常炉概念を取り入れており、1990年に原研が実施した定常トカマク型核融合炉SSTRの概念検討が先駆的に果たした役割が重要であったことが理解される。

論文

ガスタービンを用いた原子力コジェネシステム

文沢 元雄; 緒方 寛*; 山田 誠也*

エネルギー・資源, 18(5), p.73 - 78, 1997/09

核熱利用システム構築の一環として、総合的な熱効率向上の観点から、ヘリウムガスタービンサイクルを用いたコジェネシステムの検討を行った。候補サイクルの総合熱効率を評価し、熱利用温度レベルに対応し、サイクルシステムの熱効率の解析を行った結果、中間・高温領域(300$$^{circ}$$C以上)では直接再生中間冷却サイクルの総合熱効率が最大であり、システムとして有望であることを明らかにした。その理由として、このサイクルでは中間冷却によりコンプレッサ出口温度が低下し、再生熱量が増加することが分かった。

論文

Technical evaluation of UT-3 thermochemical hydrogen production process for an industrial scale plant

田所 啓弘; 梶山 武義; 山口 俊雄*; 境 直人*; 亀山 秀雄*; 吉田 邦夫*

International Journal of Hydrogen Energy, 22(1), p.49 - 56, 1997/00

熱化学法による水素製造UT-3プロセスは、ベンチスケールモデルプラントによる連続運転が達成されている。この連続運転から得られた実験データを用いて、実用プラントの概念を設定し、技術・経済性評価を行った。とくに、UT-3プロセスの熱効率を向上させるために、鉄反応器に膜分離装置を新たに設置して反応転化率を高めた。その結果、プロセス熱効率は向上し、約45%達成可能との見通しを得た。また、経済性の面では、膜分離装置の材料費は安価なため、今後、装置の生産量が増えれば分離膜採用の経済的メリットが得られることから、本プロセスに膜分離装置を適用することはかなり魅力があるとの結論を得た。

報告書

Design of intermediate heat exchanger for the HTGR-closed cycle gas turbine power generation system

武藤 康; 羽田 一彦; 小池上 一*; 木佐森 演行*

JAERI-Tech 96-042, 41 Pages, 1996/10

JAERI-Tech-96-042.pdf:1.35MB

高温ガス炉の2次冷却系に中間熱交換器を介して閉サイクルガスタービン発電システムを接続することにより、保守に関する問題の無い高効率発電システムを得ることができる。しかしながら、中間熱交換器の寸法が過大となる難点がある。そこでガスタービンのみの間接サイクル(IDC)と蒸気タービンと組み合せた間接サイクル(IDCC)に対して中間熱交換器の設計を試みた。先ず150MWの容量に対してパラメトリックに設計検討を行い、各設計パラメータと伝熱管本数の関係を求めた。この結果、原子炉出口温度950$$^{circ}$$Cで複合サイクルの場合が最適であることが判明したので、これについて構造設計を含めた詳細な設計を行った。以上の検討の結果、中間熱交換器の下流にボイラを設置する複合サイクルに対しては十分設計可能であることが明らかにされた。

報告書

高温ガス炉間接ガスタービン発電システムのサイクル熱効率

武藤 康

JAERI-Tech 96-006, 86 Pages, 1996/02

JAERI-Tech-96-006.pdf:2.25MB

高温ガス炉(HTGR)と閉サイクルガスタービン(GT)を組合わせた発電システムにより約50%の高い熱効率を達成できる可能性がある。これには直接サイクル間接サイク及び間接複合サイクルの3つのシステム形式が考えられる。本報告書ではこの間接複合サイクルについて、機器接続や蒸気系圧力とサイクル熱効率との関係を検討した。この結果、機器接続にはPerfect Cascade TypeとSemi-Cascade Typeが考えられ、後者は更に、Case A、B、Cに分類できることを示し、これらについてサイクル熱効率が最も高くなる条件を明らかにした。更に、これらの中から、安全性及びプラント配置も考慮した場合に最適と考えられる3つのシステム構成案を提案した。

報告書

宇宙・地上・深海高速炉ガスタービン発電システム定常解析コード"STEDFAST"使用説明書

大坪 章; 関口 信忠

PNC-TN9520 95-002, 66 Pages, 1995/02

PNC-TN9520-95-002.pdf:2.55MB

本解析コードSTEDFAST(Space,TErrestrial and Deep sea FAST reactor・gas tubine system)は、深海、宇宙及び地上でのコジェネレーション用の動力源として用いるガスタービン発電方式高速炉システムにつき、システムパラメータの最適値を得るためのものである。本解析コードの特徴は次の通りである。・対象とする高速炉システムは深海炉、宇宙炉、及び地上炉である。・作動流体としては1次系でNak,Na,Pb,Hg,Liを2次系でHeとXeの混合ガス(混合比は任意)を扱うことができ適用範囲が広い。・システムに含まれる機器のモデル化については、将来の詳細化が容易なるように、また過渡解析コード作成が容易なように配慮されている。・プログラム言語はMAC-FORTRANで、パソコンにより容易に計算可能である。本解析コードの作成により、システムに含まれる密閉ブレイトンサイクルの状態値が直ちに計算可能となると共に、サイクル熱効率に係わる数多くのパラメータの影響の把握及び最適化計算が可能となった。今後各種機器のモデルをより詳細化するとともに、更に将来においては、本解析コードをベースとして、過渡解析コードを作成する予定である。

論文

電子ビーム加熱による多孔質体に含浸させた金属の蒸発; CCDカメラを用いた蒸発面温度分布の計測

大場 弘則; 柴田 猛順

日本機械学会熱工学講演会講演論文集, 0, p.202 - 204, 1995/00

電子ビーム照射による金属蒸気生成において、熱効率向上のために多孔質高融点金属に銅を含浸させ、その蒸発特性を調べた。液体銅からの蒸発と比較するために、蒸発面温度分布を測定した。計測は単色フィルターとCCDカメラで蒸発面を撮像し、画像処理を施して行った。多孔質体を用いると、少ない投入電力で表面温度を高くでき、大量に蒸発できることがわかった。また、るつぼ内の熱収支を考察することで熱効率の向上が説明できた。

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