(57)【要約】【課題】  原子力の使用済み核燃料の廃熱を利用して水素を製造するシステムに係り、特にエネルギーの有効利用を図るのに好適であるとともに、水素を製造するときの反応条件に適した温度に適宜調整することが可能な技術を提供することを課題にする。【解決手段】  廃熱が放出される核廃棄物を封入する発熱器(1)と、前記廃熱が反応熱として利用されて水素(F)を製造する水素製造器(18)と、を備える水素製造システム(50)において、前記廃熱が伝達して加熱される中間熱交換器(10)と、発熱器(1)及び中間熱交換器(10)の間で循環して、前記廃熱の伝達を行う一次系流体(A)と、水素製造器(18)及び中間熱交換器(10)の間で循環して前記反応熱の伝達を行う二次系流体（B）と、を有することを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃熱が放出される核廃棄物を封入する発熱器と、
前記廃熱が反応熱として利用されて水素を製造する水素製造器と、
前記廃熱が伝達して加熱される少なくとも１つ以上の中間熱交換器と、
前記発熱器及び前記中間熱交換器の間で一次系流体を循環させて、前記廃熱の伝達を行う一次系流体流路と、
前記水素製造器及び前記中間熱交換器の間で二次系流体を循環させて、前記反応熱の伝達を行う二次系流体流路と、を有することを特徴とする水素製造システム。
【請求項２】
前記一次系流体流路に設けられ、循環する前記一次系流体の流量又は流速を制御する一次系循環機構と、
前記二次系流体流路に設けられ、循環する前記二次系流体の流量又は流速を制御する二次系循環機構と、有することを特徴とする請求項１に記載の水素製造システム。
【請求項３】
前記水素の原料となる水蒸気を発生する蒸気発生器と、
前記水蒸気になる水を貯蔵する水タンクと、
前記水蒸気と化学反応して前記水素を生成させる燃料を貯蔵する燃料タンクと、
製造された前記水素を貯蔵する水素タンクと、を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水素製造システム。
【請求項４】
前記一次系流体及び前記二次系流体のそれぞれは、溶融塩又はヘリウムガスであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水素製造システム。
【請求項５】
前記発熱器及び前記中間熱交換器を同心状に配置することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水素製造システム。
【請求項６】
前記発熱器、前記中間熱交換器及び前記水素製造器を同心状に配置することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水素製造システム。
【請求項７】
前記発熱器は、
前記核廃棄物を収納した少なくとも２つ以上の密閉容器が隣接して配置され、
隣接する前記密閉容器の隙間を前記一次系流体が流動することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の水素製造システム。
【請求項８】
前記中間熱交換器は、
前記一次系流体又は前記二次系流体のうちいずれか一方の流体が流動する少なくとも２つ以上の伝熱管が隣接して配置され、
隣接する前記伝熱管の隙間を他方の前記流体が前記一方の流体に対向する方向へ流動することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の水素製造システム。
【請求項９】
前記水素製造器は、
前記二次系流体又は前記水素の原料のうちいずれか一方の流体が流動する少なくとも２つ以上の反応管を有し、
隣接する前記反応管の隙間を他方の前記流体が前記一方の流体に対向する方向へ流動することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の水素製造システム。
【請求項１０】
前記密閉容器は、前記隙間に位置する支持機構により支持されていることを特徴とする請求項７に記載の水素製造システム。
【請求項１１】
前記伝熱管は、前記隙間に位置する支持機構により支持されていることを特徴とする請求項８に記載の水素製造システム。
【請求項１２】
前記反応管は、前記隙間に位置する支持機構により支持されていることを特徴とする請求項９に記載の水素製造システム。
【請求項１３】
前記発熱器は、
前記隙間に流入する前記一次系流体を均一に配分させる分配機構を有することを特徴とする請求項７に記載の水素製造システム。
【請求項１４】
前記中間熱交換器は、
前記隙間又は前記伝熱管に流入する前記一次系流体又は前記二次系流体を均一に配分させる分配機構を有することを特徴とする請求項８に記載の水素製造システム。
【請求項１５】
前記水素製造器は、
前記隙間又は前記反応管に流入する前記二次系流体又は前記水素の原料を均一に配分させる分配機構を有することを特徴とする請求項９に記載の水素製造システム。
【請求項１６】
前記発熱器は、
前記密閉容器の束の外周部分を覆う内筒を有することを特徴とする請求項７に記載の水素製造システム。
【請求項１７】
前記中間熱交換器は、
前記伝熱管の束の外周部分を覆う内筒を有することを特徴とする請求項８に記載の水素製造システム。
【請求項１８】
前記水素製造器は、
前記反応管の束の外周部分を覆う内筒を有することを特徴とする請求項９に記載の水素製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力の使用済み核燃料の廃熱を利用して水素を製造するシステムに係り、特にエネルギーの有効利用を図るのに好適な水素製造システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所において発生する使用済み核燃料（核廃棄物）からは、その中に含まれるウランやプルトニウム等のリサイクル可能な核燃料物質が、再処理工程を経て回収される。このリサイクル可能な核燃料物質が回収される前の使用済み核燃料（核廃棄物）は、崩壊熱（廃熱）を放出するものである。このため、使用済み核燃料（核廃棄物）は、再処理工程に移されるまでの間、燃料棒に収められたままの状態で、例えば原子力発電所に設けられた専用の貯蔵プールや中間貯蔵施設などで、冷却あるいは放熱しながら保管される。そして、この保管される所定の期限が経過した後に、使用済み核燃料は、燃料棒から取り出されてから再処理工程に移されて、ウランやプルトニウム等のリサイクル可能な核燃料物質が回収される。このようなリサイクル可能な核燃料物質が回収された後の残りは、ガラス固化されて、さらに長期間地上で保管された後に地層処分される。
【０００３】
従来、このような使用済み核燃料（核廃棄物）から放出される崩壊熱（廃熱）は、有効活用されずにそのまま外部に放出されるだけであった。そこで、資源保護や省エネルギーなどを図る観点から、近年、使用済み核燃料（核廃棄物）から放出される崩壊熱（廃熱）を有効活用するための技術が種々提案されている。例えば特許文献１〜３では、使用済み核燃料の熱を利用して発電を行う技術が提案されている。
【０００４】
また、近年、環境保護の観点から、燃料電池自動車など水素を燃料とする燃料電池の開発や普及が進められている。このため、今後水素の需要が一層増えることが予想され、水素を安定して供給することが望まれている。水素を製造する方法としては、天然ガスなどの化石燃料の燃焼熱を熱源として、水素の原料を化学反応させる技術が一般的に用いられている。しかし、化石燃料の燃焼熱を熱源にすると、水素とともに地球温暖化現象の原因となる二酸化炭素を大量に発生するという問題が生じる。そこで、二酸化炭素を発生させないで水素を生成する技術として、例えば特許文献４〜６に記載の技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−２２１２９７号公報（段落００３５〜００４１、図１）
【特許文献２】特開２００４−１０９０１３号公報（段落００２９、００３０）
【特許文献３】特開平５−１５００９９号公報（段落０００７）
【特許文献４】特開２００２−２４１１０１号公報（段落０００９〜００１０、図１）
【特許文献５】特開２０００−３２７３０１号公報（段落０００４、０００５、図１）
【特許文献６】特開２００３−５４９０２号公報（段落００１０〜００１３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜３に記載の技術は、使用済み核燃料の崩壊熱を利用して発電するシステムに関するものである。しかし、これらの技術では、発電により得られる電気は貯蔵可能な媒体ではないため、電力が不要なとき崩壊熱（廃熱）は無駄に放出されるだけなので、崩壊熱（廃熱）を利用して化石燃料の使用低減を図る目的を充分に達成することができない欠点がある。
【０００６】
そして、特許文献１に開示されている、液媒を気化させる手段を用いて核廃棄物の廃熱エネルギーを利用する技術では、使用済み核燃料（核廃棄物）からの崩壊熱（廃熱）の伝熱量を適宜制御しながら利用することが困難である。また特許文献２に開示されている、液媒を循環させて核廃棄物の廃熱エネルギーを直接発電システムに伝達する技術でも、伝熱量を適宜制御しながら利用することが困難である。
【０００７】
また、特許文献４に開示されている、原子炉の熱を直接的に利用するシステムでは、原子炉の熱を回収する熱媒体が特定の温度に設定されてしまうために、水素生成時に必要な熱源を反応形態に適した温度に設定することが困難である。
また、特許文献４〜６は、いずれも原子炉を利用して水素を生成する技術についての提案であり、使用済み核燃料の崩壊熱を有効活用する技術については何ら検討されていない。
【０００８】
本発明は、前記した従来の課題を解決するものであり、使用済み核燃料などの核廃棄物から放出される崩壊熱などの廃熱を有効に活用して化石燃料の使用量を削減するとともに、水素を製造するときの反応条件に適した温度に適宜調整することが可能な水素製造システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために本発明は、廃熱が放出される核廃棄物を封入する発熱器と、前記廃熱が反応熱として利用されて水素を製造する水素製造器と、前記廃熱が伝達して加熱される少なくとも１つ以上の中間熱交換器と、前記発熱器及び前記中間熱交換器の間で一次系流体を循環させて、前記廃熱の伝達を行う一次系流体流路と、前記水素製造器及び前記中間熱交換器の間で二次系流体を循環させて、前記反応熱の伝達を行う二次系流体流路と、を有することを特徴とする。
【００１０】
かかる構成により、発熱器から放出される廃熱を利用して、貯蔵・蓄積可能な水素を水素製造器において製造することができる。これにより、従来廃棄されていた廃熱の熱エネルギーを全て有効に利用することができ、その分だけ化石燃料の消費が節約される。また、発熱器から放出されて水素製造器で利用される熱エネルギー（廃熱、反応熱）は、中間熱交換器を介して一次系流体及び二次系流体により伝達されることとなる。このため、もし発熱器が破損して放射性物質が漏洩しても、中間熱交換器までの汚染に留まり、水素製造器が汚染されることがない。さらに、一次系流体及び二次系流体の流速を制御すれば、水素を製造するのに最適な温度条件で水素製造器を動作させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、使用済み核燃料などの核廃棄物から放出される崩壊熱などの廃熱を有効に活用して化石燃料の使用量を削減するとともに、水素を製造するときの最適条件に温度を適宜調整することが可能な水素製造システムが提供される。さらに、この核廃棄物を収納する容器が破損して放射性物質が漏洩しても、放射能汚染される範囲の拡大を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第1実施形態）
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。図１に示すように、水素製造システム５０ａ（５０）は、発熱器１ａ、一次系流体Ａが流れる第１，第２の流路９ａ，９ｂ（一次系流体流路９）、一次系循環機構８、中間熱交換器１０ａ（１０）、二次系流体Ｂが流れる第３，第４の流路１７ａ，１７ｂ（二次系流体流路１７）、二次系循環機構１６、蒸気発生器２６、及び水素製造器１８ａ（１８）を備えて構成されている。他に、図２に示すように、水タンク３０、燃料タンク３１、水素タンク３２、そして電源・制御室３３から構成される。なお、これらの配置は図２の配置に限定されるものではない。
【００１３】
以下、最初に水素製造システム５０ａの全体概要を述べ、その次に各機器要素の構造について説明し、最後にシステムの運用について説明する。
この水素製造システム５０ａは、主な構成要素として発熱器１ａと水素製造器１８ａとの間に中間熱交換器１０ａを設けたものである。発熱器１ａと中間熱交換器１０ａとは、その下部同士が加熱前の一次系流体Ａが流れる第１の流路９ａで接続され、また上部同士が加熱後の一次系流体Ａが流れる第２の流路９ｂで接続されている。
第１の流路９ａの途中には一次系循環機構８が設けられており、発熱器１ａ内で密閉容器２から発する崩壊熱により加熱された一次系流体Ａは、第２の流路９ｂを経由して中間熱交換器１０ａに供給され、中間熱交換器１０ａで熱交換により除熱された一次系流体Ａは、第１の流路９ａを経由して発熱器１ａに戻る。つまり、一次系流体Ａは第１の流路９ａと第２の流路９ｂを経由して、発熱器１ａと中間熱交換器１０ａとの間を循環する。なお、一次系循環機構８は第１の流路９ａ側に設けられているが、第２の流路９ｂ側に設けられていてもよい。
【００１４】
また、中間熱交換器１０ａと水素製造器１８ａとは、下部同士が熱交換前の前記一次系流体Ａとは異なる二次系流体Ｂが流れる第３の流路１７ａで接続され、上部同士が熱交換後の二次系流体Ｂが流れる第４の流路１７ｂで接続されている。また、第３の流路１７ａの途中には二次系循環機構１６及び蒸気発生器２６が設けられており、中間熱交換器１０ａで熱交換された二次系流体Ｂは、第４の流路１７ｂを経由して水素製造器１８ａへ供給され、水素製造器１８ａで反応管１９に熱を供給した二次系流体Ｂは、第３の流路１７ａを経由して中間熱交換器１０ａに戻る。なお、二次系循環機構１６は第３の流路１７ａ側に設けられているが、第４の流路１７ｂ側に設けられていてもよい。また、水素製造器１８ａ内で反応熱を与えて低温になった二次系流体Ｂは、蒸気発生器２６の加熱源として用いられる。
【００１５】
なお、中間熱交換器１０ａでは、胴体内に熱交換用の伝熱管１１が複数本収納されており、一次系流体Ａ又は二次系流体Ｂのうちいずれか一方の流体が伝熱管１１の内部を流れている。そして、いずれか他方が伝熱管１１の外部を、一方の流体の流れに対向する方向に流れている。このようにして、一次系流体Ａ及び二次系流体Ｂは、伝熱管１１の壁面を隔てて互いに交じり合わないように、反対方向に流れている。
【００１６】
また、一次系循環機構８及び二次系循環機構１６は出力調整可能な機構が設けられて、一次系流体Ａあるいは二次系流体Ｂの流量（流速）を変化させる（制御する）ものである。ここで、一次系循環機構８及び二次系循環機構１６は、作動流体が気体の場合にはブロワ、液体の場合にはポンプなどを使用する。
このように、一次系流体Ａ及び二次系流体Ｂの流速を変化させることにより、発熱器１ａから放出されて中間熱交換器１０ａを経て水素製造器１８ａに伝達される崩壊熱（廃熱）の伝熱量を適宜調節することができる。
【００１７】
本実施形態では、使用済み核燃料（核廃棄物）３（図４参照）から発する崩壊熱（廃熱）によって加熱されて高温状態となった一次系流体Ａが、第２の流路９ｂを通って中間熱交換器１０ａに送られる。そして、中間熱交換器１０ａでは、一次系流体Ａが有する熱量を対向して流れる二次系流体Ｂに熱伝達して二次系流体Ｂが高温状態となる。高温の二次系流体Ｂは、二次系循環機構１６の動力によって第４の流路１７ｂを通って水素製造器１８ａに送られる。
【００１８】
水素製造器１８aの内部に設けられている反応管１９では、その周囲を流れる二次系流体Ｂが有する熱を反応熱として利用して水素の生成（製造）が行われる。そして、水素製造器１８ａから排出された二次系流体Ｂは、第３の流路１７ａを通って中間熱交換器１０ａに戻り、中間熱交換器１０ａから再び熱を受け取る。なお、水素製造器１８ａと中間熱交換器１０ａの間には、二次系循環機構１６の下流側に蒸気発生器２６を設置している。
【００１９】
蒸気発生器２６は、水素製造器１８ａ内で水素の生成反応を起こすための原料の一部である水蒸気Ｄを供給するものである。この水蒸気Ｄは、水タンク３０から水が供給されて、水素製造器１８ａから排出された二次系流体Ｂの熱を受けて、蒸気発生器２６の内部で生成するものである。なお、使用済み核燃料３から発せられる廃熱とは、使用済み核燃料３に含まれる核分裂生成物質（ＦＰ；ＦｉｓｓｉｏｎＰｒｏｄｕｃｔｓ）や超ウラン元素（またはアクチノイド）が崩壊する際に発生するものである。
【００２０】
なお、発熱器１ａ、第１，第２の流路９ａ，９ｂ（一次系流体流路９）、中間熱交換器１０ａ、第３，第４の流路１７ａ，１７ｂ（二次系流体流路１７）及び水素製造器１８ａは、熱を有効利用できるように、それぞれ断熱材で保温されている。また、水素製造器１８ａは、筒型に限定されるものではなく、反応管１９に熱を供給できるものであれば特に限定されるものではない。
また、このように中間熱交換器１０ａを設けることにより、密閉容器２が破損して一次系流体Ａに放射性物質が混入した場合でも、一次系流体Ａが直接的に水素製造器１８ａの反応部へ供給されることがないので、水素製造器１８ａが放射能汚染されることがなく、より安全なシステムとすることが出来る。
【００２１】
図１及び図３に示すように、発熱器１ａは筒型の収納部を有し、この収納部内に複数の密閉容器２を互いに所定の間隔をあけた状態で収納部の空間内に垂直に収めたものである。密閉容器２は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、金属材料で形成された筒体を有し、この筒体内に使用済み核燃料３を収めて密封したものである。ここで、使用済み核燃料３は、粉末あるいはベレット状のどちらでもよい。使用済み核燃料３とは、所定期間の発電を行った後に原子炉から取り出された使用済み核燃料の集合体を構成する各燃料棒に収められたベレットを意味している。
【００２２】
なお、複数の密閉容器２は使用済み核燃料３から熱を取り出し易い形状及び材質となっている。ここで、熱を取り出し易い形状とは、例えば密閉容器２の筒体を細長くして、単位体積当りの表面積を大きくした形状のものである。また、複数本の密閉容器２は、実装密度を高めるために、図３（ｂ）に示す、Ｘ−Ｘ断面図に示すように正三角形配列とする。このような配置にすることにより、発熱器１ａの容積をコンパクトにしつつ、大量の熱を後記する反応管１９（図１参照）に供給することができる。すなわち、密閉容器２と一次系流体Ａとの接触面積を広く設定できるので、使用済み核燃料３の崩壊熱の回収率を高めることができる。また、密閉容器２としては、原子炉から取り出した使用済み核燃料３が収められた燃料棒であってもよい。もちろん、燃料棒は、原子炉内と同じように四角形配置で発熱器１ａの内部に配置してもよい。
【００２３】
また、図３に示すように発熱器１ａの一次系流体Ａの流入側又は流出側の入口ノズル７ａ又は出口ノズル７ｂに分配機構５，６を設けることで、容器内の複数本の密閉容器２に対し、一次系流体Ａを均等に供給することができる。ここで、分配機構５，６は、密閉容器２を固定する円板状のものに、多孔を設けて流れが均一になるような構造にしたものである。そして、分配機構５，６に設けられた多孔は、中心側ほど開口面積が小さくなるようにして、発熱器１ａの内部を鉛直方向流れる流体は、その水平断面において中心側に偏った流動抵抗が付与されるようにする。
これは、図３において、入口ノズル７ａから流入した一次系流体Ａの液圧が、発熱器１ａの内側周面よりもその中心軸側の方が偏って高くなっていることに対応するためである。よって、分配機構５，６を導入することにより、内側周面に対し中心軸側を流れる一次系流体Ａの流動抵抗が相対的に高まるので、前記した流れの均一化を達成することができる。
【００２４】
密閉容器支持機構（支持機構）４は、細長い密閉容器２を支持するものであって、隣接する密閉容器支持機構４，４の適切な間隔を確保するように設けられている。なお、図３では縦長の密閉容器２が一次系流体Ａの流れに沿う方向に置かれているが、密閉容器２が流れに直角な方向に置かれていてもよい。
【００２５】
図４は、発熱器１ａ内に収められる密閉容器２と半径方向の温度分布を示している。密閉容器２は金属製の円筒で、その中に使用済み核燃料３あるいは燃料残渣を収納する。このとき、使用済み核燃料３は発熱するため、中心部で温度が高くＴｍとなり、半怪方向に熱伝導で温度低下し、密閉容器２でさらに小さく温度降下して、一次系流体Ａとの対流による熱伝達で一次系流体Ａの空間雰囲気温度Ｔａとなる。このとき、密閉容器２の表面温度はＴwiとＴwoが耐熱温度以下になる必要がある。
【００２６】
図５に、このときの発熱器１ａ内の密閉容器２の半径方向の熱抵抗図（等価熱伝達率の逆数を意味する）を示す。
使用済み核燃料（燃料残渣）３、密閉容器２、一次系流体Ａの熱抵抗を比率で比較すると、各々２１：１：７８％となり、一次系流体Ａの対流による熱抵抗が大きいことがわかる。すなわち、使用済み核燃料（燃料残渣）３及び密閉容器２の温度を所定の温度以下に冷却するためには、一次系流体Ａの熱伝達率を向上する必要がある。
【００２７】
そこで、一次系流体Ａの作動流体として、ヘリウムガス（Ｈｅ）、溶融塩（ＭＳ）、超臨界圧状二酸化炭素（ＣＯ2）を用いた場合の、密閉容器２の表面の温度Ｔを比較した結果を図６に示す。
このとき、集中配置の例として、使用済み核燃料３の総発熱量Ｑ＝１５ＭＷ、発熱密度ｑv＝３×１０5Ｗ／ｍ3、密閉容器外径１００ｍｍ、ピッチ／外径は１．２５、１本の密閉容器高さＨ＝５ｍの条件で試算した。温度の制約条件として、燃料の中心部を１０００℃以下、密閉容器表面の温度を８００℃以下と設定した。この結果、溶融塩の場合が最も冷却特性がよく、発熱器１ａの容積がコンパクトになり、また密閉容器の温度が低くなるため、機器の信頼性が向上することがわかる。
【００２８】
この理由として、他の流体に比べて、溶融塩の熱物性値である流体の密度、熱伝導率及びプラントル数が大きいことが影響している。また、溶融塩の候補としては、ＬｉＦ−ＢｅＦ2、ＬｉＦ−ＮａＦ−ＫＦあるいはＬｉＦ−ＢｅＦ2−ＴｈＦ4−ＵＦ4などが挙げられる。いずれも融点はＴｍ＝４６０℃前後であるため、これ以上の温度にして溶融液状で運転することが望ましい。なお、発熱器１ａは使用済み核燃料３の総発熱量Ｑとして、Ｑ＝５ＭＷを３箇所、あるいはＱ＝１ＭＷを１５箇所に分散配置して小規模に水素製造を行ってもかまわない。
【００２９】
なお、一次系流体Ａとしては、使用済み核燃料３からの熱の回収が可能であれば、特に溶融塩に限定されるものではないが、もし発熱器１ａの容積が大きくなってもよければ、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガス、超臨界圧状態の炭酸ガス、あるいは水などから選択することが可能である。一方、二次系流体Ｂとしては、水素製造器１８ａへの加熱が可能であれば、ヘリウム以外の前記流体を用いてもかまわない。一次系流体Ａ及び二次系流体Ｂは、原子炉の冷却材と同様、放射化されないこと、比熱が大きいこと、取り扱いが容易なことなどの特性があることが望ましい。
【００３０】
次に、図７に示すように、発熱器１ａの内部には密閉容器２を支持するための支持機構４が設けられている。そして、隣り合った密閉容器２の隙間を流れる一次系流体Ａによる振動を抑制するため、軸方向に所定の間隔で支持機構４（支持部材４ａ）が設けられている。支持部材４ａは、図７に示すように、平板状のものを交差させて、四方が支持部材４ａで仕切られた領域に密閉容器２が配置されて、この密閉容器２を支持するものである。この場合、一次系流体Ａの圧力損失も比較的小さくてすむことになる。
【００３１】
図８は、前記した支持部材４ａの代わりに、隣接する密閉容器２を支持するため、軸方向にある所定の間隔で各々支持機構４（連結部材４ｂ）を設けた場合を示す。例えば、密閉容器２の周方向に交互に凸状連結部材４ｂ1と凹状連結部材４ｂ2を設けて、隣り合う凸部と凹部を嵌め合わせる構造とする。これにより、密閉容器２間での支持・固定が強くなり、また使用済み核燃料３から一次系流体Ａへ伝わる熱が、対流で伝わる熱量以外に、連結部材４ｂの放熱面積の拡大によるフイン効果で大量の熱を伝えることが可能になる。
なお本発明に係る支持機構４は、図７，８で例示されたものに限定されることなく、隣接する密閉容器２，２…の隙間に位置し、密閉容器２，２…を一次系流体Ａの流動により変位したり振動したりしないように発熱器１ａの内部に支持するものであればよい。
【００３２】
図９に示すように、中間熱交換器１０ａでは、一次系流体Ａが入口ノズル１４ａから流入し、伝熱管１１内を流れて出ロノズル１５ｂから発熱器１ａへ戻る。一方、二次系流体Ｂは入口ノズル１４ａから流入し、隣接する伝熱管１１，１１の隙間を伝熱管１１に沿って並行に流れ出て、出口ノズル１４ｂから水素製造器１８ａへ供給される。ここで、一次系流体Ａ及び二次系流体Ｂの流れる方向が対向する完全対向流熱交換方式になるため、図９（ｂ）に示すＸ−Ｘ断面のように、隣接する伝熱管１１，１１…は、所定の間隔で伝熱管支持機構（支持機構）１３により固定されている。この伝熱管支持機構１３のが伝熱管１１を支持する方法は、すでに図７，図８を参照して説明したとおりである。さらにこれら伝熱管支持機構１３の断面形状としては、図１０（ｂ）に示すように、薄い平板状、半円状、エッジ状、流線形状及び円柱棒状など形状を取り得る。伝熱管１１を支持するための機構としては、いずれの断面形状でも同等であるが、隙間部分を流れる流体（一次系流体Ａ又は二次系流体Ｂ）の圧力損失を小さくするためには、流線形状あるいは円柱棒状が望ましい。
【００３３】
なお、図１１に示すように、中間熱交換器１０ａの胴体と伝熱管１１，１１…の束との間（伝熱管１１の束の外周部分）には出入口を斜めに切り欠いた単純円筒形状の内筒（シュラウド）１２を設けてもよい。これより、伝熱管１１，１１…の内部を流れる一次系流体Ａと隣接する伝熱管１１，１１…の隙間を流れる二次系流体Ｂが、対向流で熱交換するために必要な有効伝熱面積を確保することができる。また、入口ノズル１４ａから流入してくる二次系流体Ｂの流体力が直接的に伝熱管１１に衝突することがないので、入口ノズル１４ａの近傍における伝熱管１１の流動振動を抑制することが可能になる。なお、伝熱管１１は、その内部で流体の流れる方向が直線型である直管である場合もあれば、その流れ方向が反転するようにＵ字型である場合もある。このＵ字型をとる場合は、伝熱管１１の熱膨張・収縮への対応が容易である。一方、伝熱管１１が直管の場合において係る影響を回避するためには、胴体自身に伝熱管の熱伸びを吸収するためのエクスパンションを設ければよい。なお、中間熱交換器１０ａは、一般的な切欠きバッフルを用いたシェル・チューブ式熱交換器を使用してもよいが、この場合、胴径が大きくなる。
【００３４】
図１２に示される水素製造器１８ａは、記載が省略されているが、その内部が完全対向流熱交換方式となるため、図１１と同様に、胴体と反応管１９の束との間（反応管１９の束の外周部分）には出入口を斜めに切り欠いた単純円筒形状の内筒（シュラウド）を設けてもよい。これより、反応管１９，１９…の内部を流れる水素の原料（燃料Ｅ及び水蒸気Ｄ）の流体と、隣接する反応管１９，１９…の隙間を流れる二次系流体Ｂとが直接的に対向流で熱交換することとなり、また入口ノズル２５ａから流入してくる二次系流体Ｂの流体力が直接的に反応管１９に衝突することがなくなり、反応管１９の流動振動を抑制することが可能になる。
また、反応管１９，１９…は、図３又は図４に示すような支持機構４により支持されており、その内部や隣接するものの隙間を流れる流体の作用により振動が生じないようになっている。
なお、水素製造器１８ａは、高温に対しても強度を有する例えば金属等で構成され、複数の反応管１９，１９…が収められる筒型の形状をしている。
【００３５】
図１２に示すように、水素製造器１８ａは反応管１９内に水素Ｆの原料であるメタン（燃料）Ｅと水蒸気Ｄを供給し、二次系流体Ｂで加熱して水素の生成反応を起こさせるものである。反応管１９は、原料供給部（水タンク３０、燃料タンク３１）から供給された原料（燃料Ｅ、水蒸気Ｄ）を用いて水素を製造する装置であり、反応管１９での反応形態としては、熱の存在下で水素生成反応が進行するものであれば水素の原料は特に限定されるものではないが、水蒸気改質法、熱化学法、水蒸気電解法、熱分解法のうちの１種の方法から選択することが出来る。なお、前記４種の方法は、いずれも公知の原理である。
【００３６】
水蒸気改質法としては、例えば、天然ガスの水蒸気改質法、石炭ガス化法、メタノールの水蒸気改質法、天然ガスのＣＯ2改質法などから選択できる。熱化学法としては、例えば、ＩＳ（Ｉｏｄｉｎｅ−Ｓｕｌｆｅｒ）プロセスなどから選択できる。本方法は、水を原料供給部から供給し、ブンゼン反応、ヨウ化水素分解反応及び硫酸分解反応を組み合わせて所定の熱を与えながら反応させることにより、水素を生成する方法である。この反応形態を利用すると、二酸化炭素を排出せずに水素を製造することができる。水蒸気電解法としては、原料である水蒸気に必要な熱と電気を与えることで水素を製造することができる。熱分解法としては、例えば、水の熱分解法、メタンの熱分解法、メタノールの熱分解法などから選択できる。但し、水の直接熱分解は２０００℃以上の熱源を必要とするので、本発明のような核廃棄物の崩壊熱を利用する方法では他に新たな熱源が必要となる場合がある。
【００３７】
そこで、本発明で用いる改質法の一例として、天然ガスの水蒸気改質法について述べる。この場合、具体的な例として図１２の水素製造器１８ａを水蒸気改質器に置き換えればよい。本方法は、メタン（ＣＨ4）と水（Ｈ2０）を原料供給部からそれぞれ供給して、所定の温度の熱を与えながら反応管１９の内部に設けた改質触媒の作用により互いに反応させることにより水素（Ｈ2）を生成する方法である。水蒸気改質器を用いた水素を生成させる例としては、既に燃料電池用として利用されている。但し、この水蒸気改質器における反応形態を利用すると二酸化炭素を発生することになるが、水素反応に必要な熱源は、使用済み核燃料３から放出される崩壊熱を利用するので、化石燃料の燃焼熱を利用する場合と比べれば二酸化炭素の排出量を少なくできる。よって、地球温暖化の原因となる二酸化炭素の発生量を低く抑えた状態で水素を製造できることになる。
【００３８】
また、反応管１９の上部では、水素のみが捕集されて水素回収部（水素タンク３２）に集められる。この水素回収部は、例えば高圧ボンベや大型のタンクであり、これらボンベやタンクに水素を回収することにより水素を長期間保管しておくことができる。
なお、第１実施形態では、前記した全ての反応形態を常に選択することができるわけではなく、発熱器１ａにより設定可能な温度に応じて反応管１９での反応形態を選択する必要がある。つまり、水素製造器１８ａで設定可能な温度が低い、例えば約６００℃以上の場合には、それに合った水蒸気改質法や熱化学法の反応形態を選択する必要がある。また水素製造器１８ａで設定可能な温度を高く、例えば約９００℃以上の場合には、高温の熱源が必要な熱分解法の反応形態を選択することができる。
【００３９】
このように、使用済み核燃料３からの崩壊熱（廃熱）を利用して貯蔵可能な水素を製造できるので、崩壊熱を無駄に外部に排出することがなくなり、崩壊熱の有効利用が可能になる。また、崩壊熱は、長期間連続して排出されるので、水素を安定的に連続供給できるようになる。なお、反応形態によって異なるが、前記したように水素生成時の副生成物として二酸化炭素が生成される反応形態の場合には、二酸化炭素を捕集処理する装置を設けて二酸化炭素を大気中に放出しない処理をすることが好ましい。
【００４０】
次に図１を参照して、本実施形態の水素製造システム５０ａ（５０）において、水素が製造されるまでの流れについて説明する。
一次系循環機構８を作動すると一次系流体Ａが発熱器１ａ（１）と中間熱交換器１０ａとの間で循環を開始し、使用済み核燃料３から密閉容器２を通して放出される崩壊熱（廃熱）は、一次系流体Ａによって回収される。崩壊熱によって加熱されて高温状態になった一次系流体Ａは、第２の流路９ｂを通って中間熱交換器１０ａ（１０）に送られて、そこに熱を伝える。
【００４１】
次に、二次系循環機構１６が作動して二次系流体Ｂがこの中間熱交換器１０ａ（１０）と水素製造器１８ａの間で循環すると、水素製造器１８ａ内に配置されている反応管１９に対して水素生成反応に必要な熱が供給される。反応管１９では、二次系流体Ｂから熱を受け取り、この熱を水素製造反応時の熱源として利用して、水素（Ｈ2）が生成される。従って、一次系流体Ａは、中間熱交換器１０ａ（１０）に導入される前よりも低い温度で第１の流路９ａから排出されて発熱器１ａへ戻り、二次系流体Ｂは水素製造器１８ａに導入する前よりも高い温度で第３の流路１７ａから排出されて中間熱交換器１０ａ（１０）へ戻る。
【００４２】
そして、一次系流体Ａは、密閉容器２から発せられる崩壊熱によって再び加熱されて、第２の流路９ｂを介して中間熱交換器１０ａ（１０）へ送られ、二次系流体Ｂは、中間熱交換器１０ａ（１０）によって再び加熱されて、第４の流路１７ｂを介して反応管１９へ送られる。このようにして、一次系流体Ａは、発熱器１ａと中間熱交換器１０ａ（１０）との間を、二次系流体Ｂは中間熱交換器１０ａ（１０）と水素製造器１８ａ（１８）との間を循環して、内部の反応管１９に連続的に熱を供給できるようになっている。
【００４３】
また、第１実施形態で調整手段として機能する一次系循環機構８は、出力の調整が可能で、発熱器１ａと中間熱交換器１０ａ（１０）との間を循環する一次系流体Ａの流量（流速）を制御できるようになっている。また、二次系循環機構１６は出力の調整が可能で、中間熱交換器１０ａ（１０）と水素製造器１８ａとの間を循環する二次系流体Ｂの流量（流速）を制御できるようになっている。これにより、反応管１９に供給する熱量を変化させて温度を調整できるようになり、反応管での反応形態に適した温度に設定できるようになる。また、使用済み核燃料３が数年経過すると発熱量も低下するため、この発熱量に応じた運転を行うためには、一次系流体Ａ及び二次系流体Ｂの流量を調整することになる。
なお、前記のように一次系流体Ａ及び二次系流体Ｂの流量を変化させて温度を調整できるようにしたとしても、熱が無駄に外部へ放出されることはないので、熱の有効利用が損なわれることがない。
【００４４】
（第２実施形態）
次に、図１３に示すように、第２実施形態に係る水素製造システム５０ｂ（５０）では、発熱器１ｂ（１）及び中間熱交換器１０ｂ（１０）が一体構造を成している。なお、以下図１３、図１４においてに示される構成品のうち、すでに説明されたものについては、同じ符号を付して説明を省略することとする。
水素製造システム５０ｂは、同心状で円筒形状の圧力容器（円筒容器）にそれぞれ収納されている発熱器１ｂを中央に、中間熱交換器１０ｂをその外側に配置した一体構造を有している。そしてこの発熱器１ｂと中間熱交換器１０ｂの境界は隔壁３６で隔てられている。この隔壁３６は耐圧のみが必要であり、発熱器１ｂからの熱は熱伝導や輻射でその外側の中間熱交換器１０ｂを加熱するので、熱をロスすることなく二次系流体Ｂへ熱を伝えることが可能になる。また、水素製造システム５０ｂの全体は断熱材３５で覆われており、発熱器１ｂ及び中間熱交換器１０ｂから外部への放熱を抑制し、熱回収効率の向上が実現される。
【００４５】
これら発熱器１ｂ及び中間熱交換器１０ｂのそれぞれには、前記した密閉容器２及び伝熱管１１が垂直に複数配置されている。なお、第２実施形態の場合においては、図示を省略するが前記した水素製造器１８ａが、発熱器１ｂ及び中間熱交換器１０ｂの一体構造の外側に配置されている。そして、発熱器１ｂ及び中間熱交換器１０ｂの一体構造は、二次系流体Ｂが流れる第３の流路１７ａ及び第４の流路１７ｂが接続されて、熱を水素製造器１８ａに供給するように構成されている。
【００４６】
（第３実施形態）
図１４に示すように、第３実施形態に係る水素製造システム５０ｃ（５０）では、発熱器１ｃ（１）、中間熱交換器１０ｃ（１０）及び水素製造器１８ｃ（１８）が一体構造を成している。この水素製造システム５０ｃは、前記した第２実施形態に係る水素製造システム５０ｂに対しさらに同心円筒状に水素製造器１８ｃを加えたものである。そして、水素製造システム５０ｃは、発熱器１ｃ、中間熱交換器１０ｃ及び水素製造器１８ｃから外部への放熱を抑制し、熱回収効率をさらに向上させるため、同心状で円筒形状の圧力容器（円筒容器）にそれぞれ収納されている発熱器１ｃを中央に、中間熱交換器１０ｃをその外側に、水素製造器１８ｃを最外周に配置して、全体として同心状に一体構造を形成する。なお、この水素製造器１８ｃと中間熱交換器１０ｃの境界は隔壁３７で隔てられている。この隔壁３７は耐圧のみが必要であり、中間熱交換器１０ｃからの熱は熱伝導や輻射でその外側の水素製造器１８ｃを加熱するので、熱をロスすることなく水素の原料へ熱を伝えることが可能になる。また、水素製造システム５０ｃの全体は断熱材３５で覆われており、発熱器１ｃ、中間熱交換器１０ｃ及び水素製造器１８ｃから外部への放熱を抑制し、熱回収効率の向上が実現される。そして、発熱器１ｃ、中間熱交換器１０ｃ及び水素製造器１８ｃのそれぞれには、前記した密閉容器２、伝熱管１１及び反応管１９が垂直に複数配置されている。
【００４７】
第２，第３実施形態に係る水素製造システム５０（５０ｂ，５０ｃ）において、水素が製造されるまでの流れについては、すでに第１実施形態における記載を参照することとして、記載を省略する。だたし、第２，第３実施形態に係る水素製造システム５０（５０ｂ，５０ｃ）では、発熱器１（１ｂ，１ｃ）からの熱は、一次系流体Ａにより伝達される以外にも熱伝導や輻射により直接その外側にある中間熱交換器１０（１０ｂ，１０ｃ）を加熱することになるので、熱ロスがなく二次系流体Ｂへ熱を伝えられる。同様に、第３実施形態に係る水素製造システム５０ｃにおいては、中間熱交換器１０ｃからの熱は、二次系流体Ｂにより伝達される以外にも熱伝導や輻射により直接その外側にある水素製造器１８ｃを加熱することになるので、水素を生成するのに必要な反応熱を熱ロスがなく供給させることができる。
【００４８】
次に、第２，第３実施形態に係る水素製造システム５０（５０ｂ，５０ｃ）において、発熱器１、中間熱交換器１０、水素製造器１８がそれぞれ収納された円筒容器を一体構造で円筒間を固定するための固定機構について説明する。なお図１５は、この固定機構３４のうち発熱器１及び中間熱交換器１０が相互に固定される一部分を示している。
図１３及び図１４に示したように、水素製造システム５０ｂ，５０ｃは、は二重円筒構造、及び三重円筒構造をとるため、中央から順番に発熱器１を、その外側に中間熱交換器１０、最外周に水素製造器１８を配置すると内圧・自重・熱に対する応力が発生し、それらの相互間における強度上の支持力を強めるために、固定機構３４により相互に接続される。
【００４９】
この固定機構３４は、円筒容器の外周面（又は内周面）に設けられる凸状固定部材３４ａと、円筒容器の内周面（又は外周面）に設けられる凹状固定部材３４ｂとから構成され、周方向に少なくとも１つ以上が設置されている。そして、凸状固定部材３４ａの凸状部分が、凹状固定部材３４ｂの凹状部分に嵌合することにより、内側に配置されている円筒容器と、外側に配置されている円筒容器とが相互に支持される。このような固定機構３４により、発熱器１、中間熱交換器１０、水素製造器１８がそれぞれ収納された円筒容器に、内圧・自重・熱に対する応力が発生しても、これら多重円筒構造の変形防止が図れる、さらに、伝熱的にも放熱フイン効果で使用済み核燃料３からの発熱が、最外周に配置された水素製造器１８の反応管１９へ直接的に伝達することが防止される。このようにすることで、水素製造システム５０（５０ｂ，５０ｃ）において高温状態の中央部から低温状態の最外周へと温度分布の階層化が図れる。
【００５０】
なお、以上において説明が省略されていても、発熱器１（１ａ，１ｂ，１ｃ）、中間熱交換器１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）及び水素製造器１８（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）のそれぞれは、密閉容器２，２…を支持して隣接する密閉容器２，２…の隙間、伝熱管１１，１１…を支持して隣接する伝熱管１１，１１…の隙間、及び反応管１９，１９…を支持して隣接する反応管１９，１９…の隙間を形成する支持機構４（図７，図８参照）を備え得るものとする。
また、同様に説明が省略されていても、発熱器１（１ａ，１ｂ，１ｃ）、中間熱交換器１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）及び水素製造器１８（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）のそれぞれには、流体が出入する入口ノズル７ａ，１４ａ，１５ａ，２４ａ，２４ｂ，２５a及び出口ノズル７ｂ，１４ｂ，１５ｂ，２４ｃの近傍において、流体を均等に供給するための分配機構５，６が設けられていることとする。
【００５１】
以上説明した、水素製造システム５０（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ）により次のような効果が得られる。すなわち、本発明に係る水素製造システムにおいて、使用済み核燃料（核廃棄物）３が放出する廃熱を有効利用して、水素を製造することができる。また、このようにして製造された水素を貯蔵して蓄積することが可能であるので、放出される廃熱を余すことなく利用することができ、エネルギーの有効利用を図ることができる。これにより、水素を製造するにあたり、化石燃料を使用することがないので、排出される二酸化炭素を抑制し地球の環境保全に貢献できる。
【００５２】
また、中間熱交換器１０を利用して使用済み核燃料（核廃棄物）３が放出する廃熱を水素製造器１８に伝達するので、水素製造器１８に供給する熱量を適宜調節することができる。このため、水素製造器１８の内部の温度を自在に可変することが可能になるので、水素の生成反応が高効率で進行するように温度条件を設定することができる。
さらに、発熱器１から水素製造器１８へと熱を伝達する一次系流体Ａ及び二次系流体Ｂは、それぞれが独立に中間熱交換器１０を基点として発熱器１及び水素製造器１８を循環しているので、使用済み核燃料（核廃棄物）３が漏洩しても、放射能汚染は中間熱交換器１０までにとどまり、水素製造器１８が汚染されることがない。
【００５３】
さらに、発熱器１、中間熱交換器１０及び水素製造器１８のうち選択される２以上の組み合わせが、同心形状を有する円筒容器で構成されることにより、水素製造システム５０をコンパクトに構成させることができる。さらに、発熱器１から放出される廃熱の回収率を向上させることができるので廃熱の利用効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水素製造システムを示す全体構成図である。
【図２】第１実施形態に係る水素製造システムの配置を示す上面図である。
【図３】（ａ）は第１実施形態に係る水素製造システムに用いられる発熱器の概要図であり、（ｂ）はＸ−Ｘ断面を拡大して示す断面拡大図である。
【図４】第１実施形態において、核廃棄物（使用済み核燃料）が封入される密閉容器の概要図である。
【図５】第１実施形態で用いられる密閉容器の熱抵抗図である。
【図６】第１実施形態で用いられる密閉容器の温度特性を説明するグラフである。
【図７】第１実施形態で用いられる密閉容器の支持機構の概要図である。
【図８】第１実施形態で用いられる密閉容器の支持機構の概要図である。
【図９】（ａ）は第１実施形態に係る水素製造システムに用いられる中間熱交換器の概要図であり、（ｂ）はＸ−Ｘ断面を拡大して示す断面拡大図である。
【図１０】（ａ）は第１実施形態に示す中間熱交換器で用いられる支持機構の概要図であり、（ｂ）は支持機構の部分を拡大して示す拡大図である。
【図１１】第１実施形態に示す中間熱交換器で用いられる内筒の概要図である。
【図１２】第１実施形態に係る水素製造システムに用いられる水素製造器の概要図である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る水素製造システムを示す全体構成図である。
【図１４】本発明の第３実施形態に係る水素製造システムを示す全体構成図である。
【図１５】第２，第３実施形態において発熱器・中間熱交換器・水素製造器の一体構造を形成するための支持機構の概要図である。
【符号の説明】
【００５５】
１（１ａ，１ｂ，１ｃ）  発熱器
２    密閉容器
３    使用済み核燃料（核廃棄物）
４，１３  支持機構
５，６  分配機横
９ａ（９）  第１の流路（一次系流体流路）
９ｂ（９）  第２の流路（一次系流体流路）
１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）  中間熱交換器
１１  伝熱管
１２  内筒
１７ａ（１７）  第３の流路（二次系流体流路）
１７ｂ（１７）  第４の流路（二次系流体流路）
１８（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）  水素製造器
１９  反応管
３０  水タンク
３１  燃料タンク
３２  水素タンク
３４  固定機構
５０（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ）  水素製造システム
Ａ    一次系流体
Ｂ    二次系流体
Ｄ    水蒸気
Ｅ    燃料
Ｆ    水素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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