(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
給水；
非放射性二次熱ループを有する液体金属原子炉；
上記非放射性二次熱ループと連結し、上記給水の温度を上げることのできる蒸気発生器；
給水入力ラインにより上記給水と連結した高温水分解装置；及び
上記給水の温度を上げることのできるトッピングヒータ
を含んでなる水素発生システム。
【請求項２】
前記給水が脱塩プラント、浄水装置及び蒸気タービン復水器の少なくとも１つからの出力を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記給水入力ラインが前記蒸気発生器と連結していて、前記蒸気発生器が給水の温度を約４５０℃〜約５５０℃に上昇させる、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記給水が前記蒸気発生器の下流の前記トッピングヒータと連結していて、前記トッピングヒータが給水の温度を８５０℃以上に上昇させる、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記トッピングヒータがガス燃焼トッピングヒータを含む、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記高温水分解装置で発生した酸素と水素の一部を前記トッピングヒータで燃料として使用する、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
第一再生式熱交換器をさらに含んでいて、前記ガス燃焼トッピングヒータからの排気を第一再生式熱交換器に送り、前記給水入力ラインが前記蒸気発生器の下流の前記第一再生式熱交換器と連結している、請求項５記載のシステム。
【請求項８】
前記給水が脱塩プラントの出力を含み、ガス燃焼トッピングヒータの排気を、前記第一再生式熱交換器に通した後、脱塩プラントに送る、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
第二再生式熱交換器をさらに含んでいて、前記ガス燃焼トッピングヒータからの排気を、前記第一再生式熱交換器に通した後、前記第二再生式熱交換器に送る、請求項７記載のシステム。
【請求項１０】
蒸気タービン・発電機アセンブリをさらに含んでいて、前記蒸気発生器の出力の一部を前記第二再生式熱交換器を通して上記蒸気タービン・発電機アセンブリに送る、請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
蒸気タービン・発電機アセンブリをさらに含んでいて、前記蒸気発生器の出力の一部を用いて上記蒸気タービン・発電機アセンブリを駆動して発電する、請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
前記トッピングヒータが電気トッピングヒータを含み、前記蒸気タービン・発電機アセンブリで発生した電気の一部を用いて上記電気トッピングヒータに電力供給する、請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
当該システムが発電燃料電池装置をさらに含んでいて、前記トッピングヒータが電気トッピングヒータを含み、前記高温水分解装置で発生した酸素と水素の一部を上記発電燃料電池装置で燃料として使用し、上記発電燃料電池装置で発生した電気の一部を使用して前記電気トッピングヒータに電力供給し、上記発電燃料電池装置で発生した水を前記給水に加えて前記高温水分解装置用に用いる、請求項１記載のシステム。
【請求項１４】
非放射性二次熱ループを有する液体金属原子炉を用いて水素を発生する方法であって、当該方法が、
上記非放射性二次熱ループを蒸気発生器と連結することにより、上記非放射性二次熱ループを蒸気発生器用の熱源として利用する段階、
上記蒸気発生器内で給水を加熱する段階、
加熱した給水を蒸気発生器からトッピングヒータに送る段階、
トッピングヒータを用いて給水を加熱する段階、
加熱した給水をトッピングヒータから高温水分解装置に送って水素と酸素を発生させる段階
を含んでなる方法。
【請求項１５】
蒸気発生器内で給水を加熱する段階が、蒸気発生器内の給水を約４５０℃〜約５５０℃の温度に加熱する段階を含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
トッピングヒータ内で給水を加熱する段階が、トッピングヒータ内の給水を約８５０℃以上に加熱する段階を含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記トッピングヒータがガス燃焼ヒータを含んでいて、当該方法が、前記高温水分解装置で発生した酸素と水素の一部をトッピングヒータに送ってトッピングヒータで燃料として使用する段階をさらに含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
当該方法がガス燃焼トッピングヒータからの排気を第一再生式熱交換器に送る段階をさらに含んでいて、前記加熱した給水を蒸気発生器から上記ガス燃焼トッピングヒータに送る段階が、
加熱した給水を蒸気発生器から第一再生式熱交換器に送る段階、
第一再生式熱交換器で給水を加熱する段階、及び
加熱した給水をトッピングヒータに送る段階
を含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
ガス燃焼トッピングヒータからの排気を、第一再生式熱交換器を通した後に、第二再生式熱交換器に送る段階をさらに含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
蒸気発生器からの加熱した給水の一部を第二再生式熱交換器に送る段階、
第二再生式熱交換器で給水を加熱する段階、
加熱した給水を第二再生式熱交換器から蒸気タービン・発電機アセンブリに送る段階、及び
加熱した給水を用いて蒸気タービン・発電機アセンブリを駆動することにより発電する段階
をさらに含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
蒸気発生器からの加熱した給水の一部を蒸気タービン・発電機アセンブリに送る段階、
加熱した給水を用いて蒸気タービン・発電機アセンブリを駆動することにより発電する段階
をさらに含む、請求項１４記載の方法。
【請求項２２】
前記トッピングヒータが電気トッピングヒータを含んでいて、当該方法が、前記蒸気タービン・発電機アセンブリで発生した電気の一部を電気トッピングヒータに送り電気トッピングヒータに電力供給する段階を含む、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記トッピングヒータが電気トッピングヒータであり、当該方法が、
前記高温水分解装置で発生した酸素と水素の一部を発電燃料電池装置に送る段階、
水素と酸素を上記発電燃料電池装置の燃料として利用して発電する段階、及び
上記発電燃料電池装置で発生した電気の一部を電気トッピングヒータに送り電気トッピングヒータに電力供給する段階
をさらに含む、請求項１４記載の方法。
【請求項２４】
上記発電燃料電池装置で副生物として発生した水を給水に加える段階をさらに含む、請求項２３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は一般に液体金属原子炉に関し、さらに具体的には水分解装置での水素発生のためのエネルギーの供給に液体金属原子炉を利用することに関する。
【０００２】
【発明の技術的背景】
大都市での自動車排気ガスを減らす手段として水素燃料電池を動力源とする電気自動車が考えられている。しかし、かかる自動車に用いられる水素は典型的には、温室効果ガスを発生する炭素系原料を用いて製造される。例えば、ＣＯ＋Ｈ2ＯをＣＯ2＋Ｈ2に転化すると、このプロセスの廃棄副生物としてＣＯ2を生じる。ＣＯ2は環境への温室効果に寄与する物質の一つであることが知られている。
【０００３】
水分解プロセスでの水素の製造には大量のエネルギーが必要とされる。効率的に機能させるため水分解プロセスは約８５０℃〜９５０℃の範囲の非常に高い温度で運転されるからである。原子炉は水分解システム用の低コストの熱源と考えられてきた。しかし、原子炉は、かかる水分解システムの効率的運転に必要な高温では運転されない。液体金属冷却式原子炉の運転温度は約５５０℃、軽水炉の運転温度は約２８５℃であり、いずれも効率的水分解システムに必要とされる８５０℃〜９５０℃よりも格段に低い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
水分解システムを約８５０℃〜９５０℃で効率的に運転するのに十分な量の熱を低コストで供給するシステムを提供できれば望ましい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施形態では、水素発生システムは、非放射性二次熱ループを有する液体金属原子炉、二次熱ループと連結した蒸気発生器、高温水分解装置及びトッピングヒータを含んでなる。
【０００６】
原子炉で発生した熱を用いて、分解装置用の給水の温度を約４５０℃〜約５５０℃に上昇させる。トッピングヒータで給水温度を４５０℃〜５５０℃の範囲から８５０℃以上に上昇させ、水素と酸素を生成する分解装置の効率的運転を可能にする。さらに、トッピングヒータは、給水を水素と酸素に解離するのに必要な熱エネルギーを供給する。
【０００７】
一実施形態では、トッピングヒータはガス燃焼ヒータである。高温水分解装置で発生した酸素と水素の一部をトッピングヒータで燃料として使用する。ガス燃焼トッピングヒータからの排気を再生式熱交換器に送る。再生式熱交換器は給水供給ラインに配置され、蒸気発生器とトッピングヒータの間に位置する。ガス燃焼トッピングヒータからの排気を次に第二再生式熱交換器に送り、蒸気発生器で水蒸気へと転換された給水の一部の温度をこの第二再生式熱交換器を用いて上昇させてから発電用蒸気タービン・発電機アセンブリに送る。
【０００８】
上述のシステムは、通常運転温度で運転される液体金属原子炉及びトッピングヒータを利用することによって、水分解装置の効率的運転に十分な量の熱を低コストで発生する。トッピングヒータは、原子炉の発熱によって生じる水蒸気の温度を所望の分解装置運転温度へと上昇させる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係る水素発生システム１０の線図である。このシステム１０は、原子炉１２から熱を抽出する非放射性二次熱ループ１４を有する液体金属原子炉１２、二次熱ループ１４と連結した蒸気発生器１６、高温水分解装置１８及びトッピングヒータ２０を含んでなる。
【００１０】
原子炉１２は、米国特許第４５０８６７７号及び同第５１５８４７１号に記載の原子炉のような公知のどんな液体金属原子炉であってもよい。二次ループ１４は原子炉１２内の中間熱交換器２２と連結している。二次ループ１４はホットレグ２４とコールドレグ２６を含む。二次ループ１４は、熱を中間熱交換器２２から蒸気発生器１６に伝達するためのヘリウムや液体金属（ナトリウムなど）のような熱伝達媒体を含んでいる。中間熱交換器２２で加熱された熱伝達媒体はホットレグ２４を経て蒸気発生器１６に流れ、そこで熱を利用して水蒸気を発生し、それに伴い熱伝達媒体の温度は低下する。熱伝達媒体は次いでコールドレグ２６を通って中間熱交換器２２に戻る。熱伝達媒体は循環ポンプ２８によって二次ループ１４内を流れる。中間熱交換器２２を出る熱伝達媒体の温度は約４５０℃〜約５５０℃である。
【００１１】
システム１０は給水源３０を含んでおり、給水ライン３２によって蒸気発生器１６と連結している。給水源３０は、例えば水体、脱塩プラント、浄水システム、蒸気タービン復水器又はこれらの組合せとし得る。給水源３０からの水を蒸気発生器１６で加熱して水蒸気に変換する。蒸気発生器１６で加熱された給水つまり水蒸気の一部は分解装置１８に送られ、水蒸気の一部は蒸気タービン・発電機アセンブリ３４に送られる。復水器３６が蒸気タービン・発電機アセンブリ３４と連結している。蒸気タービン３４からの使用済水蒸気は復水器３６で凝縮される。凝縮した水蒸気を給水に加えることができるように、復水器出力ライン３８が給水ライン３２と連結している。復水器３６は水循環ライン３７を含んでおり、水循環ライン３７を水ライン３９によって脱塩プラント３０と連結してプラント３０に補給水を供給する。
【００１２】
トッピングヒータ２０はガス燃焼ヒータである。しかし、別の実施形態では、図２及び図３に示す通り、トッピングヒータ２０は電気ヒータであってもよい。水分解装置１８で生じた酸素と水素の一部をトッピングヒータ２０に送り、ヒータ２０用の燃料として用いる。ガス燃焼トッピングヒータ２０からの排気を排気ライン４２を介して再生式熱交換器４０に送る。再生式熱交換器４０は、蒸気発生器１６からの蒸気出力のうち分解装置１８に送られる部分をさらに加熱する。再生式熱交換器４０は蒸気ライン４４によって蒸気発生器１６と連結している。再生式熱交換器４０からの出力を蒸気ライン４６を介してトッピングヒータ２０に送る。トッピングヒータ２０は再生式熱交換器４０からの出力を８５０℃以上に加熱する。高温水分解装置１８は８５０℃以上に加熱された水蒸気を原料として酸素と水素を発生する。水分解装置１８は、熱エネルギーを用いて水を水素と酸素に解離する公知のどんな高温水分解装置であってもよい。
【００１３】
ガス燃焼トッピングヒータ２０の熱エネルギーを十分に利用するため、再生式熱交換器４０からの排気を排気ライン５０を経由して別の再生式熱交換器４８に送る。再生式熱交換器４８は、蒸気発生器１６と蒸気タービン・発電機アセンブリ３４とを連結する蒸気ライン５２に位置する。再生式熱交換器４８からの排気を排気ライン５４を経由して給水源３０に送る。この実施形態では、給水源は、給水及び販売用の水を供給する脱塩プラントである。
【００１４】
図２は、本発明の別の実施形態に係る水素発生システム６０の線図である。システム６０は、原子炉１２から熱を抽出するための非放射性二次熱ループ１４を有する液体金属原子炉１２、二次熱ループ１４と連結した蒸気発生器１６、高温水分解装置１８及びトッピングヒータ６２を含んでなる。
【００１５】
システム１０で説明した通り、二次ループ１４は原子炉１２内の中間熱交換器２２と連結しており、ホットレグ２４、コールドレグ２６及び循環ポンプ２８を含んでいる。システム６０も、給水ライン３２によって蒸気発生器１６と連結した給水源３０を含んでいる。この実施形態では、給水源３０は脱塩プラントであるが、給水源は、例えば水体、脱塩プラント、浄水システム、蒸気タービン復水器又はこれらの組合せでもよい。蒸気発生器１６で加熱された給水つまり水蒸気の一部は蒸気ライン４４を経て分解装置１８に送られ、蒸気の一部は蒸気ライン５２を経て蒸気タービン・発電機アセンブリ３４に送られる。復水器３６が蒸気タービン・発電機アセンブリ３４と連結し、凝縮した水蒸気を給水に加えることができるように復水器出力ライン３８が給水ライン３２と連結している。復水器３６は水循環ライン６４を含んでいる。
【００１６】
トッピングヒータ６２は水分解装置１８内部に配置された電気ヒータであり、加熱された給水つまり水蒸気と接する。トッピングヒータ６２は蒸気発生器１６からの蒸気を水分解装置１８内で８５０℃以上に加熱し、水蒸気を水素と酸素に解離するのに必要な追加の熱を加える。電気トッピングヒータ６２の電力として、蒸気タービン・発電機アセンブリ３４で発生した電気の一部を使用する。
【００１７】
図３は、本発明の別の実施形態に係る水素発生システム７０の線図である。システム７０はシステム６０と類似しているが、蒸気タービン・発電機アセンブリ３４及び復水器３６に代えて発電用燃料電池装置７２を設けた点で異なる。また、システム７０は蒸気タービン３４を含まないので、蒸気発生器１６で発生した水蒸気はすべて蒸気ライン４４を経由して水分解装置１８に送られる。
【００１８】
水分解装置１８で生じた酸素と水素の一部は、燃料電池装置７２での電気の発生に用いられる。水は燃料電池装置７２における電気発生の副生物である。この副生物の水は出力水ライン７４を経て給水ライン３２に送られる。燃料電池装置７２は水循環ライン７６及び７８を含んでいる。また、水ライン８０によって水循環ライン７８と脱塩プラント３０とが連結され、加熱された補給水をプラント３０に供給する。廃水ライン８２は脱塩プラント３０から塩分を含んだ廃水を除去する。
【００１９】
上述のシステム１０、６０及び７０は、通常運転温度で運転される液体金属原子炉１２及びトッピングヒータ２０及び６２を利用することによって、水分解装置１８の効率的運転に十分な量の熱を低コストで発生する。トッピングヒータ２０及び６２は、原子炉１２の発熱で生じる蒸気の温度を所望の分解装置運転温度へと上昇させる。水分解装置１８を原子炉１２及びトッピングヒータ２０及び６０から供給される熱と共に水素の発生に利用すると、炭素系原料を使用した水素の発生で通例起こる温室効果ガスの排出をなくすことができる。
【００２０】
以下に本発明の各種実施形態を示す。
【００２１】
１．給水（３０）；
非放射性二次熱ループ（１４）を有する液体金属原子炉（１２）；
上記二次熱ループと連結し、上記給水の温度を上げることのできる蒸気発生器（１６）；
給水入力ライン（３２）により上記給水と連結した高温水分解装置（１８）；及び
上記給水の温度を上げることのできるトッピングヒータ（２０）
を含んでなる水素発生システム（１０）。
【００２２】
２．給水（３０）が脱塩プラント、浄水装置及び蒸気タービン復水器の少なくとも１つからの出力を含む、１のシステム（１０）。
【００２３】
３．給水入力ライン（３２）が蒸気発生器（１６）と連結していて、該蒸気発生器が給水の温度を約４５０℃〜約５５０℃に上昇させる、１のシステム（１０）。
【００２４】
４．給水（３０）が蒸気発生器（１６）の下流のトッピングヒータ（２０）と連結していて、該トッピングヒータが給水の温度を８５０℃以上に上昇させる、３のシステム（１０）。
【００２５】
５．トッピングヒータ（２０）がガス燃焼ヒータを含む、１のシステム（１０）。
【００２６】
６．高温水分解装置（１８）で発生した酸素と水素の一部をトッピングヒータ（２０）で燃料として使用する、５のシステム（１０）。
【００２７】
７．第一再生式熱交換器（４０）をさらに含んでいて、ガス燃焼トッピングヒータ（２０）からの排気を第一再生式熱交換器（４０）に送り、給水入力ライン（３２）が蒸気発生器（１６）の下流の第一再生式熱交換器（４０）と連結している、５のシステム（１０）。
【００２８】
８．ガス燃焼トッピングヒータ（２０）の排気を、第一再生式熱交換器（４０）に通した後、脱塩プラントに送る、７のシステム（１０）。
【００２９】
９．第二再生式熱交換器（４８）をさらに含んでいて、ガス燃焼トッピングヒータ（２０）からの排気を、第一再生式熱交換器（４０）に通した後、第二再生式熱交換器（４８）に送る、７のシステム（１０）。
【００３０】
１０．蒸気タービン・発電機アセンブリ（３４）をさらに含んでいて、蒸気発生器（１６）の出力の一部を第二再生式熱交換器（４８）を通して蒸気タービン・発電機アセンブリ（３４）に送る、９のシステム（１０）。
【００３１】
１１．蒸気タービン・発電機アセンブリ（３４）をさらに含んでいて、蒸気発生器（１６）の出力の一部を用いて蒸気タービン・発電機アセンブリ（３４）を駆動して発電する、１のシステム（１０）。
【００３２】
１２．トッピングヒータ（６２）が電気ヒータを含み、蒸気タービン・発電機アセンブリ（３４）で発生した電気の一部を用いて上記電気トッピングヒータに電力供給する、１１のシステム（１０）。
【００３３】
１３．当該システムが発電燃料電池装置（７２）をさらに含んでいて、トッピングヒータ（６２）が電気ヒータを含み、高温水分解装置（１８）で発生した酸素と水素の一部を上記発電燃料電池で燃料として使用し、上記燃料電池装置で発生した電気の一部を使用して電気トッピングヒータに電力供給し、上記燃料電池装置で発生した水を給水（３０）に加えて高温水分解装置用に用いる、１のシステム（１０）。
【００３４】
１４．非放射性二次熱ループ（１４）を有する液体金属原子炉（１２）を用いて水素を発生する方法であって、当該方法が、
二次熱ループ（１４）を蒸気発生器（１６）と連結することにより、二次熱ループを蒸気発生器用の熱源として利用する段階、
上記蒸気発生器内で給水（３０）を加熱する段階、
加熱した給水を蒸気発生器からトッピングヒータ（２０）に送る段階、
トッピングヒータを用いて給水を加熱する段階、
加熱した給水をトッピングヒータから高温水分解装置（１８）に送って水素と酸素を発生させる段階
を含んでなる方法。
【００３５】
１５．蒸気発生器（１６）内で給水（３０）を加熱する段階が、蒸気発生器内の給水を約４５０℃〜約５５０℃の温度に加熱する段階を含む、１４の方法。
【００３６】
１６．トッピングヒータ（２０）内で給水（３０）を加熱する段階が、トッピングヒータ内の給水を約８５０℃以上に加熱する段階を含む、１４の方法。
【００３７】
１７．トッピングヒータ（２０）がガス燃焼ヒータを含んでいて、当該方法が、高温水分解装置（１８）で発生した酸素と水素の一部をトッピングヒータに送ってトッピングヒータで燃料として使用する段階をさらに含む、１４の方法。
【００３８】
１８．当該方法がガス燃焼トッピングヒータ（２０）からの排気を第一再生式熱交換器（４０）に送る段階をさらに含んでいて、加熱した給水を蒸気発生器（１６）からトッピングヒータ（２０）に送る段階が、
加熱した給水を蒸気発生器から第一再生式熱交換器に送る段階、
第一再生式熱交換器で給水を加熱する段階、及び
加熱した給水をトッピングヒータに送る段階
を含む、１７の方法。
【００３９】
１９．ガス燃焼トッピングヒータ（２０）からの排気を、第一再生式熱交換器（４０）を通した後に、第二再生式熱交換器（４８）に送る段階をさらに含む、１８の方法。
【００４０】
２０．蒸気発生器（１６）からの加熱した給水（３０）の一部を第二再生式熱交換器（４８）に送る段階、
第二再生式熱交換器で給水を加熱する段階、
加熱した給水を第二再生式熱交換器から蒸気タービン・発電機アセンブリ（３４）に送る段階、及び
加熱した給水を用いて蒸気タービン・発電機アセンブリを駆動することにより発電する段階
をさらに含む、１９の方法。
【００４１】
２１．蒸気発生器（１６）からの加熱した給水（３０）の一部を蒸気タービン・発電機アセンブリ（３４）に送る段階、
加熱した給水を用いて蒸気タービン・発電機アセンブリを駆動することにより発電する段階
をさらに含む、１４の方法。
【００４２】
２２．トッピングヒータ（６２）が電気ヒータを含んでいて、当該方法が、蒸気タービン・発電機アセンブリ（３４）で発生した電気の一部を電気トッピングヒータに送り電気トッピングヒータに電力供給する段階を含む、２１の方法。
【００４３】
２３．トッピングヒータ（６２）が電気ヒータであり、当該方法が、
高温水分解装置（１８）で発生した酸素と水素の一部を発電燃料電池装置（７２）に送る段階、
水素と酸素を燃料電池装置の燃料として利用して発電する段階、及び
燃料電池装置で発生した電気の一部を電気トッピングヒータに送り電気トッピングヒータに電力供給する段階
をさらに含む、１４の方法。
【００４４】
２４．燃料電池装置（７２）で副生物として発生した水を給水（３０）に加える段階をさらに含む、２３の方法。
【００４５】
以上、様々な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的思想及び技術的範囲内で各種の変更を加えて本発明を実施できることは当業者には自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス燃焼トッピングヒータを含む水素発生システムの線図である。
【図２】本発明の別の実施形態に係る電気トッピングヒータを含む水素発生システムの線図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る電気トッピングヒータ及び発電燃料電池装置を含む水素発生システムの線図である。
【符号の説明】
１０，６０，７０  水素発生システム
１２  液体金属原子炉
１４  二次熱ループ
１６  蒸気発生器
１８  水分解装置
２０  トッピングヒータ
３０  給水
３２  給水入力ライン
４０  再生式熱交換器
６２  トッピングヒータ
【図１】
0004121739.tif 000002
【図２】
0004121739.tif 000003
【図３】
0004121739.tif 000004