(57)【要約】【課題】反応系に注入する水素を無駄使いしない原子炉を用いる蒸気発電方法と装置を提供すること。【解決手段】原子炉１で得られた蒸気を蒸気タービン２に供給して、該蒸気タービン２で発電機３を駆動して発電を行った後、使用済み蒸気を第１復水器５で水に変えた後、給水ポンプ６で原子炉１に再度供給し、原子炉１内で水の分解で生成した水素と酸素を含む非凝集性ガス成分を蒸気式非凝縮物抽出機７で抽出し、得られた非凝縮物の中の水素と酸素を再結合器１０で水にした後、水蒸気と共に排ガス復水器１１で復水した後、原子炉１に戻し、排ガス復水器１１で分離されるガス成分中の水素を水素抽出器１４により抽出し、抽出された水素を前記第１復水器５出口の復水中に供給する原子炉を用いる蒸気発電方法である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉１で得られた蒸気を蒸気タービン２に供給して、該蒸気タービン２で発電機３を駆動して発電を行った後、使用済み蒸気を第１復水器５で水に変えた後、給水ポンプ６で原子炉１に再度供給し、原子炉１内で水の分解で生成した水素と酸素を含む非凝集性ガス成分を蒸気式非凝縮物抽出機７で抽出し、得られた非凝縮物の中の水素と酸素を再結合器１０で水にした後、水蒸気と共に排ガス復水器１１で復水した後、原子炉１に戻し、水素以外の非凝縮物性ガス中に含まれる放射線を減衰させた後に大気中に放出する原子炉を用いる蒸気発電方法において、
排ガス復水器１１で分離されるガス成分中の水素を水素抽出器１４により抽出し、抽出された水素を前記第１復水器５出口の復水中に供給することを特徴とする原子炉を用いる蒸気発電方法。
【請求項２】
原子炉１で得られた蒸気を蒸気タービン２に供給して、該蒸気タービン２で発電機３を駆動して発電を行った後、使用済み蒸気を第１復水器５で水に変えた後、給水ポンプ６で原子炉１に再度供給し、原子炉１内で水の分解で生成した水素と酸素を含む非凝集性ガス成分を蒸気式非凝縮物抽出機７で抽出し、得られた非凝縮物の中の水素と酸素を再結合器１０で水にした後、水蒸気と共に排ガス復水器１１で復水した後、前記第１復水器５に戻し、その他の非凝縮物性ガス中に含まれる放射線を減衰させた後に大気中に放出する原子炉を用いる蒸気発電方法において、
蒸気式非凝縮物抽出機７で抽出された非凝縮性ガスの中の水素を水素抽出器１４により抽出し、得られた水素を前記第１復水器５出口の復水中に供給することを特徴とする原子炉を用いる蒸気発電方法。
【請求項３】
蒸気生成用の原子炉１と、該原子炉１で得られた蒸気を用いる発電用の蒸気タービン２と、該蒸気タービン２の駆動で発電する発電機３と、該発電機３に利用した後の蒸気から復水を得るための第１復水器５と、該第１復水器５で得られた水を原子炉１に供給する給水流路２０と、該給水流路２０に設けた給水ポンプ６と、原子炉１内での水の分解で生成した水素と酸素を含む非凝集性ガス成分を抽出する蒸気式非凝縮物抽出機７と、得られた非凝縮性ガスの中の水素と酸素から水を生成する再結合器１０と、該再結合器１０で得られた水蒸気を復水する排ガス復水器１１と、該排ガス復水器１１で得られた水を前記原子炉１に供給する給水流路２０に戻す復水流路１２とを備えた原子炉を用いる蒸気発電装置において、
排ガス復水器１１で分離されるガス成分中の水素を抽出する水素抽出器１４を排ガス復水器１１の出口部のガス流路に設け、該水素抽出器１４で抽出された水素を前記原子炉１に供給する給水流路に戻す水素用の流路１７を設けたことを特徴とする原子炉を用いる蒸気発電装置。
【請求項４】
蒸気生成用の原子炉１と、該原子炉１で得られた蒸気を用いる発電用の蒸気タービン２と、該蒸気タービン２の駆動で発電する発電機３と、該発電機３に利用した後の蒸気から復水を得るための第１復水器５と、該第１復水器５で得られた水を原子炉１に供給する給水流路２０と、該給水流路２０に設けた給水ポンプ６と、原子炉１内での水の分解で生成した水素と酸素を含む非凝集性ガス成分を抽出する蒸気式非凝縮物抽出機７と、該蒸気式非凝縮物抽出機７で得られた非凝縮性ガスの中の水素と酸素から水を生成する再結合器１０と、該再結合器１０で得られた水蒸気を復水する排ガス復水器１１と、該排ガス復水器１１で得られた水を前記原子炉１に供給する給水流路２０に戻す復水流路１２とを備えた原子炉を用いる蒸気発電装置において、
蒸気式非凝縮物抽出機７で抽出された非凝縮性ガスの中の水素を抽出する水素抽出器１４を再結合器１０の前流側のガス流路に設け、該水素抽出器１４で抽出された水素を前記原子炉１に供給する給水流路２０に戻す水素用の流路１７を設けたことを特徴とする原子炉を用いる蒸気発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子力発電所の原子炉へ水素を注入する方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
原子力発電所の発電システムの概略を図６に示す。
図６に示すシステムでは、原子炉１で得られた蒸気を蒸気タービン２に供給して、該蒸気タービン２を用いて発電機３を回転させて発電に使用した後、使用済みの蒸気は復水器５で水に変えた後、給水ポンプ６で給水流路２０から原子炉１に再度供給する。
【０００３】
このとき、原子炉１内の放射線で水の一部が水素と酸素に分解する。例えば１１０万ＫＷの発電能力を有する原子炉１では水蒸気が約６４００Ｎｍ３／ｈｒ生成する中で、水素が約１００Ｎｍ３／ｈｒ、酸素が約５０Ｎｍ３／ｈｒ発生する。このガスは復水器５から蒸気式非凝縮物抽出機（ＳＪＡＥ）７で非凝縮物を抽出し、得られた非凝縮物を排ガス予熱器９で予熱（水素と酸素の反応性を高める）した後、再結合器１０に導き、触媒の存在下に酸素と水素から水を得て、これを排ガス復水器１１を経由して液体成分を復水器５に給水流路１２から戻す。また、気体成分を減衰器２７に送る。気体成分は放射性物質を少量含むので、これを活性炭中に数日間放置して放射性崩壊を促した後、排気筒２８から大気中に放出する。
【０００４】
前記原力発電システムでは原子炉１の炉材の応力腐食割れを防ぐ必要がある。炉材の応力腐食割れは給水の水質や溶存酸素の影響、炉材の材料の性質、及び原子炉にかかる応力などの影響で生じることがある。
【０００５】
前記炉材の応力腐食割れに対する耐性を高めるために、従来から原子炉１へ給水系に水素を注入することで、炉内の水質改善を図ることが行われている。
【０００６】
この方法は図７に示すように図６のシステムの原子炉１への給水流路２０に水素を注入する方法である。１１０万ＫＷの発電能力を有する原子炉では１２６Ｎｍ３／ｈｒの水素を注入する。この場合には、原子炉１から排出する水素量は水の分解による水素と合わせて１８０Ｎｍ３／ｈｒとなる。従って排ガス予熱器９に酸素を導入して余剰の水素を再結合器１０で水にする。
【０００７】
【（非）特許文献１】
「原子炉水化学ハンドブック」日本原子力学会編  コロナ社  ２０００年１２月発行  第２０７頁
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記図７に示すシステムでは、水素を原子炉給水系内に導入するが、蒸気タービン２で使用した蒸気を復水する過程で前記水素に回収される水の分解で生成した水素と共に水に変換する処理がなされる。
１１０万ＫＷの発電能力を有する原子炉１では１２６Ｎｍ３／ｈｒの水素を注入するが、水の分解で生成した水素と合わせて１８０Ｎｍ３／ｈｒの水素を再結合器１０で水に変換していた。このとき酸素が６３Ｎｍ３／ｈｒ必要であることから、この酸素も水にしてしまうことになり、資源の無駄使いになる。
本発明の課題は、反応系に注入する水素を無駄使いしない原子炉を用いる蒸気発電方法と装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記課題は次の解決手段により達成される。
請求項１記載の発明は、原子炉１で得られた蒸気を蒸気タービン２に供給して、該蒸気タービン２で発電機３を駆動して発電を行った後、使用済み蒸気を第１復水器５で水に変えた後、給水ポンプ６で原子炉１に再度供給し、原子炉１内で水の分解で生成した水素と酸素を含む非凝集性ガス成分を蒸気式非凝縮物抽出機７で抽出し、得られた非凝縮物の中の水素と酸素を再結合器１０で水にした後、水蒸気と共に排ガス復水器１１で復水した後、原子炉１に戻し、水素以外の非凝縮物性ガス中に含まれる放射線を減衰させた後に大気中に放出する原子炉を用いる蒸気発電方法において、排ガス復水器１１で分離されるガス成分中の水素を水素抽出器１４により抽出し、抽出された水素を前記第１復水器５出口の復水中に供給する原子炉を用いる蒸気発電方法である。
【００１０】
請求項２記載の発明は、原子炉１で得られた蒸気を蒸気タービン２に供給して、該蒸気タービン２で発電機３を駆動して発電を行った後、使用済み蒸気を第１復水器５で水に変えた後、給水ポンプ６で原子炉１に再度供給し、原子炉１内で水の分解で生成した水素と酸素を含む非凝集性ガス成分を蒸気式非凝縮物抽出機７で抽出し、得られた非凝縮物の中の水素と酸素を再結合器１０で水にした後、水蒸気と共に排ガス復水器１１で復水した後、前記第１復水器５に戻し、その他の非凝縮物性ガス中に含まれる放射線を減衰させた後に大気中に放出する原子炉を用いる蒸気発電方法において、蒸気式非凝縮物抽出機７で抽出された非凝縮性ガスの中の水素を水素抽出器１４により抽出し、得られた水素を前記第１復水器５出口の復水中に供給する原子炉を用いる蒸気発電方法である。
【００１１】
請求項３記載の発明は、蒸気生成用の原子炉１と、該原子炉１で得られた蒸気を用いる発電用の蒸気タービン２と、該蒸気タービン２の駆動で発電する発電機３と、該発電機３に利用した後の蒸気から復水を得るための第１復水器５と、該第１復水器５で得られた水を原子炉１に供給する給水流路２０と、該給水流路２０に設けた給水ポンプ６と、原子炉１内での水の分解で生成した水素と酸素を含む非凝集性ガス成分を抽出する蒸気式非凝縮物抽出機７と、得られた非凝縮性ガスの中の水素と酸素から水を生成する再結合器１０と、該再結合器１０で得られた水蒸気を復水する排ガス復水器１１と、該排ガス復水器１１で得られた水を前記原子炉１に供給する給水流路２０に戻す復水流路１２とを備えた原子炉を用いる蒸気発電装置において、排ガス復水器１１で分離されるガス成分中の水素を抽出する水素抽出器１４を排ガス復水器１１の出口部のガス流路に設け、該水素抽出器１４で抽出された水素を前記原子炉１に供給する給水流路に戻す水素用の流路１７を設けた原子炉を用いる蒸気発電装置である。
【００１２】
請求項４記載の発明は、蒸気生成用の原子炉１と、該原子炉１で得られた蒸気を用いる発電用の蒸気タービン２と、該蒸気タービン２の駆動で発電する発電機３と、該発電機３に利用した後の蒸気から復水を得るための第１復水器５と、該第１復水器５で得られた水を原子炉１に供給する給水流路２０と、該給水流路２０に設けた給水ポンプ６と、原子炉１内での水の分解で生成した水素と酸素を含む非凝集性ガス成分を抽出する蒸気式非凝縮物抽出機７と、該蒸気式非凝縮物抽出機７で得られた非凝縮性ガスの中の水素と酸素から水を生成する再結合器１０と、該再結合器１０で得られた水蒸気を復水する排ガス復水器１１と、該排ガス復水器１１で得られた水を前記原子炉１に供給する給水流路２０に戻す復水流路１２とを備えた原子炉を用いる蒸気発電装置において、蒸気式非凝縮物抽出機７で抽出された非凝縮性ガスの中の水素を抽出する水素抽出器１４を再結合器１０の前流側のガス流路に設け、該水素抽出器１４で抽出された水素を前記原子炉１に供給する給水流路２０に戻す水素用の流路１７を設けた原子炉を用いる蒸気発電装置である。
【００１３】
【作用】
請求項１、３記載の発明によれば、原子炉内で水が放射線により分解して生成した水素と酸素を再結合器１０で水にさせ、排ガス復水器１１で復水とガス成分を分離し、ガス成分を水素抽出器１４に導き、ガス中の水素を選択的に他のガス成分から分離して、原子炉１に戻す。
【００１４】
請求項２、４記載の発明によれば、蒸気式非凝縮物抽出機７で得られた多量の水蒸気と共に原子炉内で水が放射線により分解して生成した水素と酸素を含むがこれらの混合ガスを水素抽出器１４に導き、ガス中の水素を選択的に他のガス成分から分離して、原子炉１に戻す。
【００１５】
前記いずれの場合も、水素抽出器１４で分離された水素には最初に原子炉の炉材の応力腐食割れを防ぐために注入した水素が含まれるので、僅かの消耗分を除いて水素を新たに補給することなく、再利用できる。
こうして原子炉への給水の水質改善を図りながら原子炉の炉材の応力腐食割れを防ぐことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
図１には本実施の形態の１００万ｋＷの原子力発電所の原子力発電システムの概略を示す。
【００１７】
図１に示すシステムでは、図６で説明したシステムと同様に、原子炉１で得られた蒸気を蒸気タービン２に供給して、該蒸気タービン２で発電機３を駆動して発電を行った後、蒸気を復水器５で水に変えた後、給水ポンプ６で原子炉１に再度供給する。
【００１８】
また、原子炉１内で放射線による水の分解で生成した水素と酸素を含む非凝集性ガス成分を蒸気式非凝縮物抽出機７で抽出し、得られた非凝縮物（水蒸気：約６４００Ｎｍ３／ｈｒ、水素：約１８０Ｎｍ３／ｈｒ、酸素：約２７Ｎｍ３／ｈｒ、放射性ガスなど少量）を後備の再結合器１０での反応のために排ガス予熱器９で予熱した後、再結合器１０に導き、触媒の存在下に酸素と水素から水を得て、次に水と非凝縮性機体を分離するための排ガス復水器１１で処理して液体成分を復水器５に復水流路１２から戻す。
【００１９】
前記原子炉１の炉材の応力腐食割れに対する耐性を高めるために、図７に示す方法と同様に原子炉１への給水流路に水素を注入する。１１０万ＫＷの発電能力を有する原子炉では１２６Ｎｍ３／ｈｒの水素を注入する。この場合には、原子炉１から排出する水素量は水の分解による水素と合わせて１８０Ｎｍ３／ｈｒとなる。
【００２０】
図１に示すプロセスでは、図７に示す水素注入をする方法と同一であるが、図１に示す本実施の形態では排ガス復水器１１を出たガスの温度を次の水素抽出器１４での抽出可能な温度に合致させるために排ガスヒータ１３で予熱した後、水素抽出器１４でガス中の水素を選択的に他のガス成分から分離して、以下に説明するように原子炉１に供給する給水流路２０に水素用流路１７から戻す。
水素抽出器１４内では排ガス中の水素が選択的に抽出されて、水素が膨張して降温するため、冷却防止用にヒータを内蔵している。
【００２１】
次に、真空ポンプ１５では、水素抽出器１４で分離した水素を５００Ｐａ程度で水素流路１７中に取り出し、該水素流路１７から抽出した水素をサージタンク１６に一旦収納して前記真空ポンプ１５と後記圧縮ポンプ１８での脈動を吸収させる。
【００２２】
その後、圧縮ポンプ１８で約３ＭＰａ程度に加圧してバッファタンク１９に入れて安定した圧力で原子炉１に注入する準備をする。バッファタンク１９から原子炉１への給水路２０に水素流路１７を経由して水素を供給する。
【００２３】
このとき原子炉１への給水路２０には図７に示すシステムと同じく最初に１２６Ｎｍ３／ｈｒの水素を注入するが、この１２６Ｎｍ３／ｈｒの水素のいくらかは消費されるためその消費分を水素ボンベ２２から補給する。
【００２４】
また、水素抽出器１４で分離された残りのガス成分は少量の水素と放射性ガスなどを少量含むので、これに空気を添加して空気中の酸素と水素を第２の再結合器２３で再結合させて水にした後、補助復水器２４で水とガスを分離して水は復水器５に戻し、ガスは除湿器２６で除湿した後、減衰器２７を経て排気筒２８から大気に放出する。
【００２５】
図２に示すシステムは蒸気式非凝縮物抽出機７で得られた非凝縮物ガス成分から水素を抽出して、１００万ｋＷの発電能力のある原子炉に戻すシステムである。図２において図１に示すシステムと同一の装置には同一番号を付してその説明は省略する。
【００２６】
図１で説明した蒸気式非凝縮物抽出機で抽出した非凝縮物（水蒸気：約６４００Ｎｍ３／ｈｒ、水素：約１８０Ｎｍ３／ｈｒ、酸素：約２７Ｎｍ３／ｈｒ、放射性ガスなど少量）を抽出し、水素分圧を調整するための第２復水器５’（水蒸気をある程度残すことによりＯ２濃度を管理して可燃限界を回避する。）で水とガスを分離して水は復水器５に復水流路１２から戻し、ガスは排ガスヒータ１３で予熱する。この段階では非凝縮物は水蒸気を約５００Ｎｍ３／ｈｒ、水素を約１８０Ｎｍ３／ｈｒ、酸素を約２７Ｎｍ３／ｈｒ及び放射性ガスなどを少量含む。
【００２７】
このガス組成物を水素抽出器１４でガス中の水素を選択的に抽出し、前記図１のシステムと同様に、真空ポンプ１５で真空状態にした配管を経由してサージタンク１６に一旦収納し、その後圧縮ポンプ１８で加圧してバッファタンク１９を経由して原子炉１への給水路２０に供給する。なお、原子炉１への給水路２０には図７に示すシステムと同じく最初に１２６Ｎｍ３／ｈｒの水素を注入する必要があるので水素ボンベ２２を設けておく。
【００２８】
また、水素抽出器１４で得られた水素以外の気体（水蒸気：約５００Ｎｍ３／ｈｒ、水素：約５４Ｎｍ３／ｈｒ、酸素：約２７Ｎｍ３／ｈｒ、放射性ガスなど少量）はかなりの量の水素（更なる水素の抽出は可能だが、リサイクルに必要な量に抑えている。）と放射性ガスなどを少量含むので、このガス混合物中の酸素と水素を（リサイクルに必要な空気量が抽出できるので空気添加はしない。）を再結合器１０で水にした後、排ガス復水器１１で水とガスを分離して水は復水器に戻し、ガスは除湿器２６で除湿した後、減衰器２７を経て排気筒２８から大気に放出する。
【００２９】
後述の通り、現在知られている水素抽出器１４は、１５０℃以上の温度条件でなければ水素の抽出ができないので、上記図２に示す方法では水素と酸素が共存する状態で水素抽出器１４を１５０℃以上にすると酸素と水素の結合で爆発的に水の生成反応が起きるおそれがあるので、図１に示す方法を用いることが望ましい。
【００３０】
上記水素抽出器１４は図３に示すバナジウムを利用した合金膜（独立行政法人物質・材料研究機構  ホームページよりｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｉｍｓ．ｇｏ．ｊｐ／ｅｃｏｅｎｅｒｇｙ／ｎｉｓｈｉ−ｓｕｂ／ｓｕｉｓｏ＿ｃａｐｔｉｏｎ．ｈｔｍ）を用いる。この合金は１５０℃以上の環境で、金属格子３０をふるい目のように用いて水素を選択的に分離する膜である。
【００３１】
また、水素抽出器１４の概略の構成図は図４に示す。合金膜３１の水素透過性は、膜材料固有の透過能の他に、膜両面の圧力差、厚さ、面積で決められる。また図５には図１と図２に示す方法での合金膜３１の表面積と水素透過量の関係を示す。
【００３２】
図２の方法が排ガス中に蒸気を多く含むため水素分圧が低く、図１に示す方法に比べて合金膜の表面積は約２倍必要になる。
また、合金膜３１は水素で目詰まりを起こして性能が経時的には低下するため、定期的に水素抽出を停止して約３００℃で水素抽出器１４内の真空引きなどの浄化処理をする必要がある。
【００３３】
従来法では原子炉での給水路に、例えば１１０万ＫＷの発電所では１２６Ｎｍ３／ｈｒの水素の消費分を補給して、さらに約６３Ｎｍ３／ｈｒの酸素が必要となるため、水素の費用で年間約１億円、酸素の費用で年間約３千万円必要であるが、本発明野上記実施の形態のシステムでは最初に１２６Ｎｍ３／ｈｒの水素と消費分の水素を供給するだけで良い。
【００３４】
こうして、原子炉への給水系に注入した水素を再利用することで、メンテナンスコストを著しく低下させることができると共に、給水の水質改善を図る原子炉１の炉材の応力腐食割れを防ぐことができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、原子炉への給水系に注入した水素を再利用することで、メンテナンスコストを著しく低下させることができると共に、給水の水質改善を図る原子炉の炉材の応力腐食割れを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の原力発電システムの系統図である。
【図２】本発明の実施の形態の原力発電システムの系統図である。
【図３】本発明の実施の形態の水素抽出器の水素透過原理を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態の水素抽出器の要部内部構造図である。
【図５】本発明の実施の形態の水素抽出器の合金膜の表面積と水素透過量の関係を示す図である。
【図６】従来の原子力発電所の発電システムの概略図である。
【図７】従来の原子力発電所の発電システムの概略図である。
【符号の説明】
１  原子炉                    ２  蒸気タービン
３  発電機                    ５、１１  復水器
６  給水ポンプ                ７  蒸気式非凝縮物抽出機（ＳＪＡＥ）
９  排ガス予熱器              １０、２３  再結合器
１２  給水（復水）流路        １３  排ガスヒータ
１４  水素抽出器              １５  真空ポンプ
１６  サージタンク            １７  水素用流路
１８  圧縮ポンプ              １９  バッファタンク
２０  給水流路                ２２  水素ボンベ
２４  補助復水器              ２６  除湿器
２７  減衰器                  ２８  排気筒
３０  金属格子                ３１  合金膜
【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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