凝固性のある流体を移送可能な定量ポンプ
日本原子力研究開発機構

高速炉・新型炉研究開発部門

高温ガス炉研究開発センター

水素・熱利用研究開発部

ISプロセス試験グループ
野口弘喜

令和２年９月１日
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背景
水素エネルギー社会に向けて
原子力機構では、原子力を利用した水素製造技術を開発中
水素：燃焼や発電などで利用により水しか発生しないクリーンなエネルギー
ＣＯ２排出量削減
エネルギーセキュリティ強化

多様な水素の利用方法
水素燃焼発電燃料電池発電（ＰＥＦＣ・ＳＯＦＣ）

燃料電池車
自動車・バス・トラック
フォークリフト

合成燃料（メタネーション）

水素還元製鉄

水素

アンモニア製造（燃料・肥料）2

背景
水素エネルギー社会に向けて
主な水素製造技術

ＣＯ2発生

水蒸気改質

化石資源
（メタン・石炭）

火力（化石資源）
クリーンエネルギー

エネルギー源

原料
再生可能エネルギー
太陽光、風力、バイオマス、水力

高温ガス炉
HTGR※

水素ゼロ
エミッション

電気分解

水
熱化学法
※ 高温ガス炉：約900℃の高温の熱を取り出すことができる新型原子炉
HTGR（High Temperature Gas-cooled Reactor）

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背景熱化学法ＩＳプロセス• 水の熱分解 → 4000℃以上の高熱が必要• ISプロセス → ヨウ素（I）と硫黄（S）を利用して約900℃の熱で水を熱分解可能
高温熱（高温ガス炉） 900℃

水素 400℃
H2

ブンゼン反応H2+I22HI

ヨウ化水素と硫酸の生成

2HI + H2SO4
ヨウ素（Ｉ）の循環
I2 + SO2 + 2H2O
I2

水ヨウ化水素（HI）
H2O
分解反応

H2SO4

酸素
O2
1/2O2+
SO2 + H2O

硫黄（Ｓ）の循環 SO2+H2 O

 ヨウ素（I）と硫黄（S）
はプロセス内で循環⇒有害物質の排出なし
 高温ガス炉との組合せ⇒炭酸ガスの排出なし

硫酸分解反応熱化学法ISプロセスの概要
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背景
熱化学法ＩＳプロセスの研究開発• 工業材料（金属やセラミックス）を用いた試験装置を製作• 機器信頼性確認及び長時間安定した水素製造実証
連続水素製造試験装置

実用化
民間へ移行

HTTR-GT/H2 試験

現在

基盤技術の確立

工業材料機器試験
2010～

要素技術開発HTTR

水素製造施設2005～2009

工学基礎試験
1999～2004

実験室規模試験1997• ガラス製試験装置により0.03 Nm3/hの1週間連続水素製造に成功

ヘリウムガスタービン
発電施設

HTTR：高温工学試験研究炉5

背景
連続水素製造試験設備に使用しているポンプ
熱化学法ISプロセスのポンプ溶液環境：硫酸、ヨウ化水素溶液などの酸性溶液による高い腐食環境（温度：20℃～100℃、圧力：真空～0.3 MPaG、流量：～0.4 L/min）

耐食性の高いセラミックスを用いたプランジャーポンプを選定【特徴】ピストンとシリンダによるシンプルな構造であり、高い定量性を有するピストンが摺動するための微小な隙間が存在
モータ―

モーター

回転&往復運動
カップリング

ポンプヘッドバルブレスプランジャーポンプ

パッキン

微小な隙間
継手（テフロン）

カップリング

出展：ＦＭＩラボポンプ リップ
シール交換手順書 Ｑシリーズ

ピストン（アルミナ）シリンダ（アルミナ）
金属ケーシング（ステンレス鋼）6

課題
熱化学法ＩＳプロセスにおける固体ヨウ素の析出によるポンプ固着• 水素製造試験中にプランジャーポンプが固着停止【ポンプの使用環境】
溶液：高濃度のヨウ素（I2） を含むヨウ化水素（HI）水溶液（固形物（I2）を析出しやすい水溶液）
温度：約70℃
圧力：0.1 MPaG
• ポンプ停止により試験を中断

ポンプは運転、制御上重要な機器であり、その故障はプラント全体の運転に影響を与える

安定に送液可能なポンプの開発が必要
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課題
熱化学法ＩＳプロセスにおける固体ヨウ素の析出によるポンプ固着【ポンプ固着停止のプロセス】

ピストン

ピストンとシリンダーの微小な隙間（軸封部）へプロセス溶液が侵入

ヨウ素析出
金属ケーシング

軸封部で固体ヨウ素が析出（ヨウ素溶解度の低下）固着したポンプの外観
軸封部

微少漏えい
（蒸気、液体）ヨウ素ヨウ素析出

ピストンの摺動抵抗が増加

シリン
ダー

ピス
トン

プロセス溶液ポンプが固着停止• 温度低下または組成変化による溶解度の低下

HI、I2
H2O

約70℃
0.1MPaG

ヨウ素析出モデル8

固着の原因と対策【固着の原因】① ピストン-シリンダの微小な隙間へプロセス溶液が侵入② 侵入したプロセス溶液のヨウ素溶解度が低下し、固体ヨウ素が析出
溶液温度の低下溶液のHI濃度の低下が影響【対策】① ガスバリア法 （軸封部への溶液侵入抑制）② 液バリア法（軸封部の異物除去）

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対策①ガスバリア法
不活性ガスを軸封部に充填・流通させて、軸封部の圧力を調整し、プロセス流体の軸封部への侵入を抑制する【メリット】

漏えい量低下N2

N2+HI+I2• プロセス溶液の侵入を抑制
プロセス溶液• 不活性ガスにより侵入したプロセス溶液を排出することで、ポンプ上部からの漏えい量が低下

【問題点】

腐食低減

•ポンプが固着停止
軸封部に侵入した溶液中のHI成分が蒸発し、ヨウ素溶解度が低下して固体ヨウ素が析出したと推定

カップリング（10時間運転後）

10対策②液バリア法
液体を軸封部へ流通させ、軸封部の異物を除去
水の注入では、固体ヨウ素の析出リスク大固体ヨウ素を溶解させることができ、プロセス溶液に混入しても影響の少ないＨＩ溶液を注入

漏えい量増加

HI+I2HI溶液
プロセス溶液【メリット】• HI溶液の注入により固体ヨウ素の溶解し、ポンプは固着せず運転可能

腐食

【問題点】
• ポンプ上部からのHI溶液の漏えい量が増加し、ポンプカップリング等の周辺部品が腐食

凝縮液
カップリング（10時間運転後）

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新技術の特徴
溶媒－ガス併用注入システムの導入① 溶媒の微量注入（固体ヨウ素の溶解）
固体ヨウ素を溶解するために、微量のHI溶液を注入する。ポンプ上部からの漏えいを抑制するため、HI溶液の注入量を制限する。

② 不活性ガスの供給（溶媒の排出）
不活性ガスを流通させることでプロセス流体の軸封部への侵入を抑制しつつ、①で注入したHI溶液を軸封部から排出することでポンプ上部から漏えいを抑制する
実施例
HI溶液：N2ガス＝ 0.08：200(ml/min)＝ 1：2500①溶媒の微量注入
蒸気
HI 溶液
N2 ガス溶媒+N2+I2②不活性ガスの供給
プロセス流体（HIx溶液）12新技術の特徴•新技術によりポンプが固着することなく連続運転が可能（従来）数時間でヨウ素の析出による固着が発生（新技術）200時間以上の安定運転が可能
長期間の安定運転への見通しを得た•カップリング等の部品の腐食量の低減
N2HI溶液プロセス溶液ラインヒータ※カップリング（200時間運転後）新技術を組み込んだポンプ※温度低下による固体ヨウ素の析出防止13想定される用途
熱化学ISプロセスにおける以下のポンプに使用• 高濃度ヨウ素を含むヨウ化水素水溶液の送液ポンプ• 微量のヨウ素を含む硫酸水溶液の送液ポンプ

以下の分野における固形物が析出しやすい溶液の送液技術として使用可能• 化学工業分野• 医薬・製薬分野• 化学分析分野など
14実用化に向けた課題• 本技術開発（溶媒－ガス併用注入システム）の基盤技術検証は完了済み• 大流量への適用性• 長期間の安定性

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企業への期待• 固体が析出しやすい環境でポンプを使用している企業、同環境の溶液を送液したい企業には本技術の導入が有効。
• 本技術の導入によりポンプの安定性が向上し、バッチ処理や手動処理にとどまっていた工程を連続処理及び自動化へ大幅改善できる可能性がある。
• 本技術について、実用化に向け、ポンプ開発技術を持つ企業との共同研究を希望。
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本技術に関する知的財産権•発明の名称 ：溶液移送装置•公開番号：特開2018-204482•出願人：日本原子力研究開発機構
大日機械工業㈱•発明者：野口弘喜、久保真治、上地優、田中伸幸、今肇、直井登貴夫
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お問合せ先国立研究開発法人
日本原子力研究開発機構
研究連携成果展開部
https://tenkai.jaea.go.jp/

ＴＥＬ ：０２９－２８４－３４２０
e-mail ：seika.riyou@jaea.go.jp
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