⽇本原⼦⼒学会「⽔化学部会」
第４１回定例研究会
2021年11⽉18⽇

ヘリウム冷却材
安全性に優れる
⾼温でも安定⾼温ガス炉と⿊鉛構造材
カーボンニュートラルに 耐熱温度2500℃
セラミックス被覆燃料
向けた熱利⽤技術
1600℃でも放射性物質を（温度制限なし）閉じ込める

燃料核（直径約0.6mm）
⾼密度熱分解炭素

⽇本原⼦⼒研究開発機構
⾼温ガス炉研究開発センター
⽔素・熱利⽤研究開発部
久保真治

被覆燃料粒⼦

炭化ケイ素
低密度
熱分解炭素

厚さ8mm

燃料体

約1mm

580m
m

39mm

直径26mm
燃料コンパクト

360mm

ヘリウムガス

⾼温ガス炉

⾼温ガス炉これによる熱利⽤ (⽔素製造・発電など) の導⼊の意義
我が国の政策 2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成⻑戦略 (令和2年12⽉25⽇策定)

⾼温ガス炉は、安全性に優れるカーボンフリー熱源として記載され、ISプロセスは、⾼温ガス炉を⽤いた⼤量かつ安価なカーボンフリー⽔素製造技術として技術開発を⽀援すると記載

⾼温ガス炉とは︖=ヘリウムガスで950℃の熱を取り出す原⼦炉

多様な産業利⽤を⾏う意義=原⼦⼒エネルギーによって熱需要に応える

熱需要発電

⾼温ガス炉-コジェネ (電気と⽔素) システム

⾼い経済性

• 80%近い熱利⽤率（⽔素製造と発電とのコジェネレーションなどによる効率的なエネルギー利⽤）• 約50%の発電効率優れた安全性• 固有の安全性により炉⼼溶融が起こらない

我が国のCO2ガス排出量内訳(2019年）• 熱需要の排出量は全体の約60%強を占めており、CO2 の⼤幅な削減には熱需要における排出量を削減が有効• 熱利⽤産業分野の⼀次エネルギーは全量が化⽯資源に依存しているため、CO2の排出要因となっている• 発電だけで排出量は全体の約40%弱をもを占めている
2

⾼温ガス炉の優れた安全性 炉⼼溶融しない原⼦炉
セラミックス被覆燃料

⿊鉛減速材

耐熱性が⾼く燃料溶融しない

⼤熱容量・⾼熱伝導であるため原⼦炉容器外側での放熱で燃料が冷える

制御棒
原⼦炉容器

燃料核

燃料ピンセラミックス被覆

被 100
被覆燃料を加熱した
覆実験結果の破°損 50 2000 Cでも被覆がほとんど破損しない
度合︵ 0％ 10002000︶o
温度 （ C）

放熱燃料ブロック

ヘリウム冷却材
3000

化学反応、蒸発しないため⽔素・⽔蒸気爆発が発⽣しない• 電源や冷却材が喪失しても⾃然に⽌まり、冷え、放射性物質が閉じ込められる• ⾼温ガス炉は、原理的には、東電福島第⼀原⼦⼒発電所事故と同様な事故を引き起こす恐れがない

3

JAEAにおける直近の成果 (⾼温ガス炉及び⽔素製造技術開発)(1) ⾼温ガス炉技術
HTTR(2) 熱利⽤技術（発電、⽔素製造）

l 定格出⼒30MW、原⼦炉出⼝温度950℃達成（2004年４⽉）
l 950℃、50⽇間⾼温連続運転（2010年3⽉）

l ⽔素製造設備、ガスタービン発電に関する基盤技術を完成

l ISプロセスの運転制御技術のヘリウム圧縮機

l 安全性実証試験（炉⼼流量喪失試験）に成功（2010年12⽉）l 新規制基準適合性に係る設置変更許可の取得（2020年6⽉）
l 運転再開 (2021年7⽉)
l ⾼温ガス炉安全性向上のためのHTTR試験(3) 実⽤⾼温ガス炉設計

連続⽔素製造試験装置

確証
l 連続⽔素製造試験 30ℓ/ｈ、150時間の⽔素製造に成功（2019年1⽉）
l 連続⽔素製造試験 92ℓ/hを達成（2020年10⽉）(4) HTTR-熱利⽤試験計画

l 実⽤⾼温ガス炉システム設計✔ポーランドが進める⾼温ガス炉計画への協⼒(HTTRの知⾒に基づくFS (基本設計等)など)

GTHTR300l 実⽤⾼温ガス炉の安全基準策定と国

l
l

際標準化
✔ 英国が進める⾼温ガス炉など新型モジュール炉計画と国研を通じて連携強化(HTTRの技術・安全の情報交換など)
再⽣可能エネルギーとのハイブリットシス
テム設計
海外輸出⽤⾼温ガス炉の設計

l ⾼温ガス炉

熱利⽤技術の総合確証へ

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HTTRの新規制基準適合と運転再開•

HTTRの極めて⾼い固有の安全性（BDBAにおいても炉⼼溶融が発⽣しないこと）により、耐震重要度や安全機能の重要度の再分類が原⼦⼒規制委員会に認められ、⼤規模な追加⼯事の必要がなかった•

新規制基準に適合した設置変更許可を取得した•

令和3年7⽉30⽇に、HTTRは運転再開した

世界で唯⼀950℃の熱を取り出せる⾼温ガス炉

原⼦炉出⼒︓30 MW
冷却材圧⼒ : 4 MPa

HTTRの新規制基準対応 (主な項⽬)
項⽬

従来の内容

BDBA
(多量の放射性物 ・新規制基準質を放出 による追加要する事故) 求

HTTR (原⼦⼒機構 ⼤洗)
JAEAが建設した⾼温ガス炉を開発するための試験研究炉

1998年
2004年
2010年
2020年
2021年

初臨界
原⼦炉出⼝950℃達成
安全性実証試験
連続50⽇950℃運転
新規制基準適合性に係る原⼦炉設置変更許可の取得
運転再開

地震

取得した許可における新規制基準想定内容等

機構の措置(BDBAの想定)→どの想定も炉⼼溶融は発⽣しない・対策⼯事不要・DBA※ ＋原⼦炉停⽌機 ・可搬型発電機６基
能の全喪失
設置
・DBA＋炉⼼冷却機能の (電源喪失時の後備全喪失
炉停⽌⽤や監視の継・DBA＋閉じ込め機能の全 続⽤等)
喪失
・消防⾞の活⽤（プー・使⽤済燃料プール等の冷 ルへの注⽔⽤）
却機能喪失

・耐震重要度分類を試験・耐震重要度
研究⽤等原⼦炉施設に
分類は実⽤
係る 耐震重要度分類の炉を参考に分考え⽅を参考に重要度を ・補強⼯事不要類
再分類
・最⼤の地震・設計基準地震動︓973
動︓350gal
gal※ 設計基準事故

5⾼温ガス炉の多様な産業利⽤
⽔素製造システム

再⽣可能エネルギーとのハイブリッドシステム
ハイブリッド

発電量調整＋⾼温ガス炉システム

⽔素製造

再⽣可能エネルギー

l 再⽣可能エネルギーの変動を発電量調整⼜は⽔素製造により吸収l 再⽣可能エネルギーに変動に応じて、⾼発電効率を維持したまま発電量を調整

コジェネシステム（⽔素、発電、淡⽔化等）

⽔素

⾼温ガス炉システム

⽔素還元製鉄l 熱化学法（IS法）⼜はメタンの⽔蒸気改質法
による⽔素製造

⼯業利⽤として⾼温の熱供給、熱電供給
プロセス熱⽔素、淡⽔化

⾼温ガス炉システム

燃料電池⾃動⾞

⾼温ガス炉システム

電⼒

電⼒

⾼温ガス炉システム

⾼温ガス炉⽔素タウン

l ⽔素製造、発電、海⽔淡⽔化のコジェネレーションシステム
l 熱利⽤利率が80％弱

化学プラントl 蒸気によるプロセス熱供給（化学プラント、⽯油精製プラント、等）
l 蒸気タービン発電による電⼒供給

⾼い安全性を有するために需要地近接⽴地による産業利⽤が可能

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ヘリウムガスタービン発電技術の開発
ループ構成と主要プロセス条件1) (例)熱 (He)

原⼦炉

電⼒

ガスタービンü ⾼い熱効率 (46.8%)が期待
ü シンプルな機器構成(⽔が不要、⼆次系不要)
ü 再⽣式密閉ブレイトンサイクル

動翼

ケーシング

静翼

1/3スケール試験装置（圧縮機部分）10cm

主要な要素技術は確⽴

再⽣熱交換器
熱交換部のモデル試験体2） 1) 1) X. Yan et al., Nuclear Engineering Design, 222 (2003) 247-262.
2）三菱重⼯業（株）にて開発

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再⽣可能エネルギーとのハイブリッドシステム
原⼦炉
⾼温ガス炉

He隔離弁

900oC

⽔素製造設備

⾼温熱利⽤（⽔素製造）
850oC

⽔素

ガスタービン発電設備
再エネの変動を緩和
⽔素製造

950oC

中間熱交換器

発電

低温熱利⽤
200oC

再⽣可能エネルギー発電所

電気出⼒
⼀定

出⼒⼀定

電
気 原⼦⼒
出⼒
太陽光・⾵⼒時間

短い時間スケール

再⽣可能エネルギー変動に応じ、- ヘリウムガス圧⼒を変え、炉⼼熱容量により変動を吸収（分）- ガスタービン慣性により変動を吸収 (秒）⻑い時間スケール（時/⽇）
再⽣可能エネルギー変動に応じ、ヘリウムガス圧⼒を変え、発電と⽔素製造割合を調整

定格値
$ 1
対&'
⽐
率 0

電気出⼒
⽔素製造量

発電-⽔素製造の割合を調整

⾼発電効率（950℃システム50%、850℃システム45%）を維持したまま、再⽣可能エネル
8
ギーの負荷変動を吸収可能

⾼温ガス炉-⽔素製造システムと⽔素還元製鉄「カーボンニュートラル」を実現するための⽅向性*4

⽔素還元製鉄によりCO2排出量の削減が可能
1トンの鉄製造で約2トンの CO2が発⽣

C
Fe2O3Fe2O3Fe

還元

H2

⽔素還元製鉄l電⼒部⾨の脱炭素化
l⾮電⼒部⾨について
は、⽔素還元製鉄などなどCO2を排出しないエネルギーへの転換

CO2

H2 O

還元

Fe

１万トン/⽇基準 (標準的な製鉄所の規模) に
⾼温ガス炉-⽔素還元製鉄 (シャフト炉利⽤の場合) 製鋼量
おける熱物質収⽀※2※3

原⼦炉
ガスタービン発電施設

原⼦炉

He隔離弁 熱：172.4

900oC

850oC

H2 プラントl コネジェネレーション (H2 と電気)l ⾼効率発電 (η=ca.45%*1)

2

電気：22.5

ガスタービン

中間熱交換器2

鉄鋼⽯：16,043
スクラップ：1081

電気炉

Fe2O3 + 3H2→ 2Fe + 3H2O

発電

熱：85.4
電気：17.6200oC

2シャフト炉

⽔素製造

950oC

低温熱利⽤

H2：656 (t/d) H O → H + 0.5O

⾼温熱利⽤（⽔素製造）

直接還元鉄：10767

⾼温ガス炉(600 MWt × 5基)He コンプレッサー

コジェネシステムで製鉄に必要な⽔素と電気の両⽅を供給*1︓X. Yan et al./Nuclear Engineering and Design 222 (2003) 247–262.
*2︓Domestic steel production: c.a. 290,000 t/d (2016).
*3︓Kasahara and Ogawa, Production of Green Energy and Its Utilization in Ironmaking and Steelmaking Processes, Iron and Steel Institute of Japan, 123-143, 2012.
*4 : 資源エネ庁, https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/johoteikyo/carbon_neutral_02.html

熱・電⼒単位物量単位: TJ/d: t/d

鋼：10098
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JAEAが進めるカーボンフリー⽔素製造法 (熱化学法ISプロセス)
⽔の熱分解 : 4000℃以上の⾼温熱が必要
IS プロセス : ヨウ素（I）と硫⻩（S）を利⽤して 約900℃※1の熱で⽔を熱分解
ヨウ素と硫⻩はプロセス内で循環 ⇒ 有害物質の排出なし
⾼温ガス炉との組み合わせ⇒ 炭酸ガスの排出なし

⾼温熱

H2 400 C (⾼温ガス炉、太陽 〜900oC O2•

温度-⼯業⽤材料の使⽤ (900℃以下)-⾼温ガス炉に適合•効率-⾼温吸熱反応と低温発熱反応で⾼い理論熱効率 73％※2•

化学プラントのような形態の⼤規模オフサイト製造に適しているため⼤量の⽔素製造が可能

o熱、産業排熱等)

硫⻩ (S)
SO2の循環運転継続の阻害要因(配管閉塞）を未然防⽌する
ため、⽔素製造量の調整+I2H 2O

⽔H 2O
実⽤化に向けた技術課題①⾼温、強腐⾷性環境 → 耐⾷・耐熱機器の開発②安定した⽔素製造 → プロセス制御法の開発③⽔素製造効率向上 → 効率向上技術の開発(膜技術等)※1︓900℃程度の排熱（熱源）があれば、ISプロセスの適⽤が可能

L/h

2HI + H2SO4

ヨウ素 (I)の循環
I2 + SO2 + 2H2O

1/2O2+SO2 + H2O

約30

H2SO42HI

⽔素H2+I2

⽔素・酸素製造量 (積算) [m3]ll

素酸L/h
約10h
L/51
約30ℓ/ｈ、150時間の⽔素製造に成功（2019年1⽉）

⽔素⽣成ラインのフィルターのメンテナンス

試験時間 [h]ISプロセス⽔素製造試験による⽔素製造※2︓実⽤システムの熱効率は、熱回収等の限界から最⼤で60％程度

10熱化学法ISプロセスの開発の進め⽅•現在、ガラス製機器の次段階として⼯業材料*を⽤いた機器試験の段階•今後、実⽤化に向け、耐⾷機器信頼性向上・プラント制御技術開発、機器スケールアップ技術、プラント保全技術、⾼効率化技術に取り組む予定*セラミックス、⾦属材料や、鋼製の容器・配管の内⾯をガラス等でライニングしたライニング容器・配管等
⺠間への技術移転

実⽤化に向けた技術開発

連続⽔素製造試験• 耐⾷機器の信頼性確証（①）• 運転⼿順、組成制御法確⽴（②）• フローシート・ヒート&マス構築（③）••••

耐⾷機器のスケールアップ（①）
機器腐⾷データの取得（①）
プラント運転⾃動化技術の開発（②）⾼効率化に向けた膜反応器の開発（③）

現在 ⼯業材料機器試験2010〜

Ni基合⾦製HI分解器（〜500℃）

セラミックス製
硫酸分解器(〜900℃)

セラミックス、⾦属材料、耐⾷ライニング材を⽤いた機器①耐⾷機器の開発②プロセス制御法の開発③効率向上技術の開発

要素技術開発2005〜2009

⼯学基礎試験

実⽤化

HTTRとの接続試験
技術評価
耐⾷ライニング
容器(ガラス、フッ素樹脂)

カーボンフリー⽔素製造設備と⾼温ガス炉の接続実証
⾼温ガス炉(HTTR)

⽔素製造施
設(化学反応器)

1999〜2004

実験室規模試験1997• 30L/h、1週間の⽔素製造に成功（ガラス製装置）

ガラス製装置11

グリーン成⻑戦略 (原⼦⼒産業) とJAEAの取り組み
鉄鋼等の産業部⾨のCO2排出量は国内総排出量の約25%を占めることから、⽔素還元製鉄等が進められており、⼤規模かつ経済的な⽔素供給が必要※
原⼦⼒産業の成⻑戦略 「⼯程表」※
2021

2022

2023

2024

(1)HTTRを活⽤した「固有の安全性」確認のための試験

HTTR
再稼動

2025

〜2030

(2)カーボンフリー⽔素製造に必要な技術開発

世界最⾼温の950℃を出⼒可能なHTTRを活⽤した国際連携の推進(3)⾼温熱を利⽤したカーボンフリー⽔素製造技術の確⽴ (IS法等)〜2040

カーボンフリー⽔素製造設備と⾼温ガス炉の接続実証実⽤化スケールに必要な実証〜2050

販路拡⼤・量産体制化でコスト低減

JAEAにおける取り組み(1) HTTRを活⽤した「固有の安全性」確認のための試験
制御棒

挿⼊なし

炉容器

(2)カーボンフリー⽔素製造に必要な技術開発
⽔素製造施設(3)⾼温熱を利⽤したカーボンフリー⽔素製造技術の確⽴

HTTR

自然対流

除熱・⽌まる・冷える

⽔蒸気改質器

除熱輻射

冷却なし
水一次ヘリ
ウムガス

ガス循環機

・物理現象のみで、原⼦炉が⾃然に静定・冷却されることの確証へ
・熱負荷変動試験

原⼦炉
HTTR-熱利⽤試験のイメージ
⼤量かつ安価なカーボンフリー⽔素製造に必要な技術の開発に向け、脱炭素⾼温熱源（⾼温ガス炉）を活⽤し、熱源と⽔素製造施設の⾼い安全性を実現する接続技術を確⽴する。

IS法⽔素製造試験装置(⼯業材料製 (耐⾷ライニング等))
今後、実⽤化に向け、⾃動制御システ
ム、耐⾷機器信頼性の向上、⾼効率化
膜反応器技術を確⽴する。

※ 「2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成⻑戦略 (経済産業省, 令和2年12⽉25⽇策定)

12以上