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論文

第4世代原子炉の開発動向,2; 高温ガス炉

國富 一彦; 西原 哲夫; Yan, X.; 橘 幸男; 柴田 大受

日本原子力学会誌, 60(4), p.236 - 240, 2018/04

優れた安全性を有し、950$$^{circ}$$Cの高温熱が取り出せる黒鉛減速ヘリウム冷却型の熱中性子炉である高温ガス炉は、二酸化炭素の排出削減を目的に、発電以外の多様な産業における熱利用が期待されている。日本原子力研究開発機構では、高温工学試験研究炉(HTTR)により高温ガス炉の安全性を実証するとともに、熱利用系の実証に向けた研究開発を進めている。また、産官学と連携して我が国の高温ガス炉技術の国際展開に向けた活動を進めている。本報では、高温ガス炉に関する研究開発の状況及び国内外との協力について紹介する。

論文

世界のトップを走るHTTRプロジェクト

塩沢 周策; 小森 芳廣; 小川 益郎

日本原子力学会誌, 47(5), p.342 - 349, 2005/05

原研では、高温の熱利用による原子力エネルギーの利用拡大を目的として、高温工学試験研究炉を建設し、高効率発電,水素製造等の熱利用を目指した高温ガス炉システムに関する研究開発を進めている。本記事では、HTTRプロジェクトの研究開発を中心に、その経緯,これまでの主要な成果,現状,国際的な動向及び高温ガス炉水素製造システムに関する将来計画等を紹介する。なお、本解説記事は、文部科学省の革新的原子力システム技術開発公募事業「高温ガス炉固有の安全性の定量的実証」に関する技術開発の一環として実施された成果、並びに、文部科学省から原研が受託して実施している電源特会「核熱利用システム技術開発」により得られた成果の一部である。

論文

Research and development for gas turbine system in GTHTR300

國富 一彦; 片西 昌司; 高田 昌二; 滝塚 貴和; Yan, X.; 小杉山 真一

JSME International Journal, Series B, 47(2), p.261 - 267, 2004/05

高温ガス炉ガスタービン発電システム(GTHTR300)は、原子炉の1次系にガスタービンを設置して発電を行う高効率発電システムであり、2010年代の実用化を目指している。本システムでは、可能な限り既存の技術を用いることで、開発要素を少なくする設計としているが、主要機器である圧縮機,磁気軸受等の開発試験が必要である。開発試験は、1/3スケールのヘリウムガス圧縮機の空力性能試験,磁気軸受の制御性確認試験,全体システムの運転制御性試験からなる。このうち、ヘリウムガス圧縮機の空力性能試験では、ボス比が大きくなりブレード周りのヘリウムガスの2次流れの空力性能の影響が大きくなるヘリウムガス圧縮機の特性を考慮した試験計画を定めた。本報は、GTHTR300の優れたタービン系の特長を示すとともに、開発試験の試験計画,試験内容を示す。

論文

600MWt級高温ガス炉ガスタービンシステム内高温ヘリウムガス冷却材中のFP化合物生成とエアロゾル-凝縮メカニズムによるFPプレートアウト現象に関する解析試験

石山 新太郎

日本原子力学会和文論文誌, 3(1), p.106 - 119, 2004/03

600MWt級GTHRT300プラントにおけるガスタービンをはじめとするメンテナンス主要機器におけるFP沈着量並びに放射線作業被曝量評価を行うため、FP化合物生成並びにFP濃度差拡散・行術メカニズムによるFPプレートアウト解析を実施した。その結果、(1)模擬FPプレートアウト試験においてVICTORIAコードにおいて適当な反応層厚みを仮定することにより、解析解と実験値とに良い一致が得られた。(2)GTHTR300のガスタービン部における全線量当量及び作業可能時間はそれぞれ19.2mSv/hと2.6時間がVICTORIAコード解析の結果得られた。

論文

高温ガス炉ガスタービン発電システム(GTHTR300)発電系設備の点検方法・手順

小杉山 真一; 武井 正信; 滝塚 貴和; 高田 昌二; Yan, X.; 國富 一彦

日本原子力学会和文論文誌, 2(4), p.532 - 545, 2003/12

GTHTR300の発電系設備に対して既に提案されている保守・点検方針に基づき、点検方法・手順の検討を行った。定期的に開放点検あるいは分解点検を行うこととしたガスタービン,圧縮機及び発電機は1次系圧力バウンダリである動力変換容器内に設置されている点,原子炉冷却材ヘリウムガス環境で使用されるため有意なFP沈着が想定される点で既存の発電プラントにおけるタービンと比べて特徴的であり、従来とは異なる点検方法が必要と考えられる。線量率評価の結果、ガスタービン及び圧縮機廻りの線量率が点検時に有意な被ばく影響を与え得る程度であることを確認した。したがって、開放点検は専用の点検エリアで一定期間の保管冷却後に行うこととした。動力変換容器からの取出し手順は、発電機収納部を切離した後にガスタービン-圧縮機一体のアセンブリとして容器内から引出し、天井クレーンで点検エリアに運ぶこととした。さらに、点検期間短縮の観点から、ガスタービン-圧縮機は予備アセンブリで入替える運用とした。ここで提案した方法・手順により設備利用率90%以上確保に見通しが得られた。なお、被ばく低減対策が今後の重要な検討課題であることを併せて確認した。

論文

高温ガス炉ガスタービン発電システム(GTHTR300)の核熱流動設計

中田 哲夫*; 片西 昌司; 高田 昌二; Yan, X.; 國富 一彦

日本原子力学会和文論文誌, 2(4), p.478 - 489, 2003/12

GTHTR300は、熱出力600MWtの安全性の高いブロック型高温ガス炉と約46%の高い熱効率を持つガスタービンシステムを組み合わせた簡素で経済性に優れた発電システムである。本報告では、核熱流動設計の特長と最新の成果を報告する。GTHTR300の炉心は、高性能燃料の適用とサンドイッチシャッフリング燃料交換方式の採用を通じて、わずか1種類の燃料のみで、(1)取り出し平均燃焼度12万MWd/t,(2)燃料炉内滞在時間1460日で稼働率90%以上、など厳しい所期の目標をすべて満足できた。これにより高性能で経済性の高い炉心を構成できることが確認できた。さらに制御棒操作方法を改善して、同一スタンドパイプ内にある制御棒1対の引き抜き価値を0.2%$$Delta$$k以下に抑え、最高出力密度をほぼ13W/cm$$^{3}$$以下、燃料最高温度1400$$^{circ}$$C以下として安全裕度の増加に寄与できることを確認した。

論文

高温ガス炉ガスタービン発電システム(GTHTR300)発電系設備の保守・点検の基本方針

小杉山 真一; 滝塚 貴和; 國富 一彦; Yan, X.; 片西 昌司; 高田 昌二

日本原子力学会和文論文誌, 2(3), p.319 - 331, 2003/09

GTHTR300の発電系設備に対する保守・点検の基本方針について検討し、提案を行った。検討に際しては、機器ごとに運転時の使用環境,構造,材料等を考慮し、機能の維持に支障を来す可能性のある劣化・損傷事象を予測した。特に留意すべき事象は、ガスタービンの動翼・静翼に対する高温クリープ及び熱疲労による割れ及び変形等であり、定期的な開放点検により健全性を確認することとした。なお、動翼・静翼には寿命評価による管理が必要であり、劣化傾向を把握し計画的に取り替えることとした。開放点検の周期は設計上の寿命も考慮すると、技術的には最長6年程度までなら妥当であるとの見通しを得た。そのほか、腐食・浸食が予測される前置冷却器及び発電機冷却ガス冷却器の伝熱管をはじめ、圧力バウンダリ機器には軽水炉の相当の検査を行うこととした。また、プラント運転時には巡視点検は行わず、モニタリングにより機器状態を確認することとした。

論文

高温ガス炉ガスタービン発電システム(GTHTR300)用高燃焼度燃料の成立性評価,その1

片西 昌司; 國富 一彦; 武井 正信; 中田 哲夫; 渡部 隆*; 泉谷 徹*

日本原子力学会和文論文誌, 1(4), p.373 - 383, 2002/12

原研では、HTTRの経験をもとに、独自の高温ガス炉ガスタービン発電システム(GTHTR300)の設計を行っている。GTHTR300の燃料に課される条件としては、HTTRに比べ出力密度が高いため冷却材への効率的な伝熱をはかること、最高140GWd/t程度の高燃焼度に耐えられること及び経済性を高めるため燃料コストを抑えることなどがある。これらの条件を満たすために、GTHTR300では、HTTRの燃料をさらに改良したものを使用する。この燃料について、高燃焼度における燃料健全性評価と、燃料製作コストを含む燃料サイクルにかかるコストの評価を行った。その結果、GTHTR300で予定している使用条件では、燃料は破損せず健全性を保つこと及びコストの観点でシステムの経済性の目標が達成できるとの見通しを得た。

論文

高温ガス炉ガスタービン発電システム(GTHTR300)の設計研究; 平成13年度研究

國富 一彦; 片西 昌司; 高田 昌二; 滝塚 貴和; Yan, X.; 中田 哲夫; 武井 正信; 小杉山 真一; 塩沢 周策

日本機械学会第8回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集, p.181 - 184, 2002/00

原研が開発を進めている高温ガス炉ガスタービン発電システム(GTHTR300)の目的,特徴等について報告するとともに、平成13年度に実施した設計研究のうち、炉心設計,熱流動設計,燃料設計,炉内構造物設計,原子炉圧力容器設計を中心に報告する。炉心設計では、新しい燃料交換方法により、2年間の連続運転,平均燃焼度約120GWd/tonを実現した。また、原子炉圧力容器設計では、冷却材流路バスの工夫により、その材料に軽水炉と同材料が使用可能であることを示した。これらの設計結果を基にして、簡易的な経済性評価を実施し、経済性が目的の20万円/kWe以下であることを示した。

報告書

高温ガス炉システムの安全機能に関する検討(受託研究)

西原 哲夫; 武藤 康; 内田 正治*; 吉岡 直樹*

JAERI-Tech 2001-077, 44 Pages, 2001/12

JAERI-Tech-2001-077.pdf:2.16MB

本報告書は原研が文部科学省の委託を受け、平成8年度から平成12年度にかけて実施した「高温発電システムのフィージビリティスタディ」の中から、需要地近接立地を念頭においた安全目標の設定、並びに、経済性向上のための安全設備の合理化に関する検討結果を纏めたものである。高温ガス炉システムの安全目標として、許容被ばく線量は軽水炉に適用される値を用いることとしたが、設計基準事象及び設計基準外事象として考慮する事象の発生頻度を軽水炉より低く設定し、安全余裕を大きくとることとした。安全評価事象に関しては、高温ガス炉ガスタービン発電システムを対象として代表的な起因事象及び原子炉を安全に停止させるための保護動作を適切に設定してイベントシーケンスを展開し、起因事象及び保護動作に確率論的考えを導入して設計基準事象及び設計基準外事象を摘出した。そして、高温ガス炉の特徴である大きな安全余裕を考慮することにより、軽水炉で要求されているいくつかの安全設備を合理化しても、安全目標を満足できることを明らかにした。最後に、安全機能の重要度,各設備の機器種別の設定を行った。

論文

高温ガス炉ガスタービンシステム用コンパクト再生熱交換器の開発,2; 超細密オフセットフィンの伝熱流動特性試験

石山 新太郎; 武藤 康; 緒方 寛*; 上戸 好美*

日本原子力学会誌, 43(7), p.708 - 717, 2001/07

 被引用回数:2 パーセンタイル:79.11(Nuclear Science & Technology)

フィン高さ$$times$$厚さ$$times$$オフセット長$$times$$ピッチ,1.2mm$$times$$0.2mm$$times$$5.0mm$$times$$1.6mmの超微細フィンを用いて試作した超細密プレートフィン式熱交換器コア部(=縦$$times$$$$times$$長さ,100mm$$times$$100mm$$times$$100mm)の伝熱/流動特性試験を実施し、供試熱交換器の伝熱特性及び圧力損失特性を把握した。その結果、下記結論が得られた。(1)Wietingの予測式と比較して熱伝達率は10%~13%,圧力損失特性は0%~27%それぞれ低い値となった。(2)試験データの解析より、高精度伝熱/流動実験式を導出した。この実験式により実験データは、熱伝導率は90%のデータで偏差$$pm$$5%,摩擦損失係数は85%でデータが偏差$$pm$$5%で整理することができる。

論文

革新型炉としての高温ガス炉の特長,開発現状及び展望

塩沢 周策

季報エネルギー総合工学, 24(1), p.40 - 53, 2001/04

高温ガス炉は、高温の熱が取出せる,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ため、エネルギー供給の多様化,エネルギー利用分野の拡大に貢献する革新型炉として期待されている。このため、南アPBMR計画,米国/露国GTMHR計画に代表される実用化計画並びに米国NERI計画に代表される革新的次世代炉開発研究等が進められている。一方、我が国では、HTTR計画の下に、わが国最初の高温ガス炉であるHTTRの建設が終了し、現在出力上昇試験が行われている。HTTR計画では今後、全出力試験,原子炉特性試験,安全性実証試験等を進めるとともに、水素製造等高温熱利用に関する研究を並行して行い、わが国の高温ガス炉技術の確立と高度化を目指すことになっている。本稿は、革新型炉としての高温ガス炉の特長と開発の現状について、紹介するとともに、わが国の役割,展望について筆者の考えを述べたものである。

論文

Conceptual design of a 50-MW severe-accident-free HTR and the related test program of the HTTR

國富 一彦; 橘 幸男; 七種 明雄; 沢 和弘; L.M.Lidsky*

Nuclear Technology, 123(3), p.245 - 258, 1998/09

 被引用回数:4 パーセンタイル:59.81(Nuclear Science & Technology)

シビアアクシデントフリー型高温ガス炉(SFHTR)は、次世代高温ガス炉の原型炉として設計したものであり、その優れた固有の安全性と長い燃料サイクルに特徴を有している。その優れた固有の安全性の多くは高温工学試験研究炉(HTTR)を用いた試験により実証され、SFHTRそのものの試験によっても実証される。優れた安全性と設計上の工夫により、燃料は冷却材の完全喪失事故や制御棒の飛び出し事故においても、その破損制限温度を超えることはない。したがって、SFHTRのシビアアクシデントの発生確率は従来炉より少なくとも2桁は低くすることができた。また、炉心設計においては、可燃物毒物の特別な配置により、燃料サイクルは16年、燃焼度は120GWd/Tを超えるようにすることができた。熱利用系としては、ガスタービン発電と海水淡水化の組み合わせを考え、発電量23.5MWe、発電効率47%、淡水製造量40t/hが可能であることを明らかにした。本論文は、熱出力50MWの小型のSFHTRの安全設計、安全評価、炉心設計について示すとともに、SFHTRのためのHTTRを用いた試験と開発計画について示す。

報告書

ヘリウム閉サイクルガスタービンの一般特性と技術課題

下村 寛昭

JAERI-Research 96-034, 73 Pages, 1996/06

JAERI-Research-96-034.pdf:2.47MB

高温ガス炉の利点を活かし得る原子力ガスタービンの技術的課題を明確にするため、閉サイクル・ヘリウムガスタービンと開放サイクルガスタービンとの相違点について検討するとともに、閉サイクルガスタービンの基本的問題、出力と熱効率について考察した。次に、熱交換器類を中心とする圧力損失がガスタービンの主要要素である圧縮機及びタービンの断熱効率に及ぼす影響を検討し、これによる出力と熱効率の低下について計算例を挙げて説明した。さらに、ヘリウムタービンの比速度がもたらす設計諸元及び取り扱いの困難性等に対する種々の問題点を指摘し、これらの妥当性をドイツのヘリウムタービン運転実績によって証明した。最後に、ヘリウム閉サイクルガスタービンの困難を克服し、高温ガス炉との結合を成功させるために必要な基本的課題とその解決のための概念的方策を示した。

論文

Coking determination in gas turbine engine nozzles using neutron radiography

J.T.Lindsay*; 藤根 成勲*; 三島 嘉一郎*; 日引 俊*; 米田 憲司*; 小林 久夫*; 松林 政仁; M.N.Islam*

Fifth World Conf. on Neutron Radiography, 0, p.571 - 577, 1996/00

ガスタービンエンジンのノズル中に堆積するコーキングは、このタイプのエンジンが最初に製造されて以来問題となっていた。X線を用いた非破壊検査は、このコーキングのような原子番号の大きな物質(金属)中の原子番号の小さな物質(カーボン)の検出には不向きであり、通常は破壊検査により堆積状態の確認が行われていた。中性子ラジオグラフィのコーキング検出への応用は、初期の段階においては中性子ビーム中に含まれる熱外中性子や高速中性子の影響により成功しなかった。後に行われた良質の熱中性子ビームを用いた撮影によりノズルの構造材であるステンレス鋼とコーキングの間のコントラストが増加し、さらに冷中性子ビームを用いることによりコントラストの増加が大きくなることが確認された。

報告書

高温ガス炉ガスタービンプラントにおける銀の挙動の検討

沢 和弘; 田中 利幸

JAERI-Research 95-071, 23 Pages, 1995/11

JAERI-Research-95-071.pdf:0.53MB

将来の有望な高温ガス炉システムの一つであるガスタービン高温ガス炉の設計においては、ガスタービンの保守補修の観点から核分裂生成物、特に銀の挙動が重要であると考えられている。そこで、現在の知見に基づき、ガスタービン高温ガス炉の設計上銀がどの程度問題になりうるかを定量化するとともに、その対策と必要な研究課題を摘出するために、ガスタービン高温ガス炉における銀の挙動について検討を行った。検討は、生成量、燃料からの放出、1次系への沈着、線量率についてそれぞれ行った。本検討結果によると、原子炉停止後のガスタービン部の線量率の約半分が沈着している銀からのガンマ線によると予測された。今後、合理的な設計を行うためには、銀の放出挙動、沈着挙動に関し、HTTRを用いてより精度の高いデータを取得していく必要があると考えられる。

論文

Development of turbo-viscous pump with ceramic rotor assembly and oil-free driving unit

村上 義夫; 阿部 哲也; 大澤 晴繁*; 秦 聡*

J. Vac. Sci. Technol., A, 9(3), p.2053 - 2057, 1991/05

核融合炉やその他の先進的な真空機器の真空排気システムを構成するため、ターボ粘性ポンプと呼ぶにふさわしい新型の粗引きポンプを開発した。このポンプは、複数の円盤からなるロータをステータ(静翼)の間で高速に回転させるもので、ロータに窒化ケイ素セラミックスを用い、ロータ全体を支持する気体軸受とロータを25,000rpmで回転させる気体タービンを備えているのが特徴である。新開発のポンプは大気圧から高真空までの広い圧力範囲で動作し、11枚の直径150mmの回転円盤を用いたポンプで最大排気速度0.28m$$^{3}$$/min、到達圧力1$$times$$10$$^{-3}$$Paなどを確認した。この粗引きポンプの特長として、(1)完全オイルフリーである、(2)強磁場中で運転できる、(3)着火源がない、(4)高温運転が可能である、などが挙げれる。

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