二酸化炭素CO2を超臨界状態のまま循環しながらさまざまな高温熱源からの熱を使い高効率で発電できる超臨界CO2圧縮用遠心ブロアコンプレッサー、超臨界CO2ガスタービンならびに発電機を備えた超臨界二酸化炭素CO2ガスタービン発電技術。さまざまな高温熱源とは、ナトリウム冷却高速増殖炉、核融合炉、高温ガス炉、太陽炉、ごみ焼却炉等500°C~650°Cの中温度域で数GWギガワット級大熱容量の高温エネルギーを供給できるものである。超臨界二酸化炭素CO2ガスタービン発電システムにおいて、超臨界点近傍でのCO2自己凝縮現象を利用し、超臨界CO2用高速ブロアインペラ上流部に軸流タイプインデューサー羽根を設けた高効率型コンパクト超臨界CO2圧縮用遠心ブロアコンプレッサー。CO2ブロアを駆動する高速電動機を完全密閉型としてCO2の漏れを防ぐ方式として使用する軸受の方式を自己動圧軸受けとしてメンテナンスフリー状態とするために臨界状態CO2流体を使用できる液体自己動圧軸受けを設けた高速電動機。完全密閉型CO2ブロアの動圧軸受けを常時適切な温度に冷却するため、インペラ背面に回りこむ吸込み側低温液にて軸受けを冷却してブロア入口側に液体循環バイパスラインで戻す自己冷却軸受けを設けた超臨界CO2圧縮用遠心ブロアコンプレッサー。超臨界CO2ガスタービンの高効率化を図るため臨界液相当状態でも高い効率の出せる曲面曲率の大きい完全3次元羽根軸流タイプ動翼を設けた超臨界CO2ガスタービン。超臨界CO2圧縮用遠心ブロアコンプレッサー駆動用電動機同様の自己冷却、自己動圧軸受けを有する超臨界CO2ガスタービン用発電機。500°C~650°Cの中温度域で従来発電技術より、発電システムのコンパクト化により低建設コスト化が図られ、安定性の高い作動流体を用いることにより安全で高い発電効率を実現できることで環境に優しい新しい発電技術。軽水炉発電システムならびに太陽光発電システムにおける課題は発電システムの規模及び建設コストにあり、蒸気タービンでは10MPa程度の入口圧力から0.005MPaの出口圧力まで蒸気を膨張させる、即ち約2000倍に膨張させるために出口寸法は巨大になる。またシステム構成でも、蒸気タービンは多数段の給水加熱や脱気器等を必要とする。Na冷却高速炉発電システムの課題は、Na-H2O反応による可燃性水素の発生、軽水炉に比べて発電コストが高いことである。高温ガス炉発電システムの課題は、ヘリウムガス温度850°Cの場合、燃料温度は1200°Cに達するためにCs-137やAg-110mといった放射性物質が拡散でヘリウムガス中に放出されこれらがタービンや熱交換器に沈着することにより保守が困難になることである。トカマク型核融合炉発電システムにおける課題は、炉内に保持される放射性物質トリチウムの取り扱いである。炉冷却材として蒸気タービンを採用すると、拡散で水蒸気に混入するトリチウムの分離が極めて困難となる。天然ガス燃焼火力発電システムの課題は、超臨界CO2ガスタービンで必要な熱源温度が400°C以上で、燃焼ガスの熱エネルギーを十分に利用できないことと、圧力が約20MPaという高圧で、ほぼ大気圧の燃焼ガスとの間に大きな圧力差があり、加熱器の構造設計が困難であるためと推測される。CO2は非常に高温ではCOとO2に解離することから発電システムの不安定性を助長する。超臨界CO2ガスタービン発電方式において、図1の性能を達成するための図2における超臨界CO2使用条件下において高効率で機能する主及びバイパス圧縮機、タービンならびに発電機が現存しない。超臨界二酸化炭素CO2ガスタービン発電システム図2参照は、Na冷却高速炉等中高温度域の熱源に中間熱交換器を介して、超臨界CO2ガス用の主圧縮機、バイパス圧縮機、タービン、発電機、前置冷却器、再生熱交換器I及びIIならびに各種配管から構成され、超臨界点近傍での気体分子間力の特異性により圧縮仕事が軽減されることに着目した全く新しい高効率閉サイクルガスタービン発電システムである。圧縮仕事は同じ閉サイクルヘリウムガスタービンに比べると半減される。閉サイクルガスタービンサイクルの有効仕事はタービン仕事から圧縮機仕事を差し引いたものであり、有効仕事と熱入力の比がサイクル熱効率であるから、同一タービン入口ガス温度で比較すると図1参照、5程度高いサイクル熱効率が得られる。開放ランキンサイクルである蒸気タービンと比較すると、圧縮仕事は大きいがタービン効率が高いことから同一タービン入口温度では同程度の熱効率となる。ガスタービンの寸法について比較すると、蒸気タービンでは10MPa程度の入口圧力から0.005MPaの出口圧力まで蒸気を膨張させる、即ち約2000倍に膨張させるために出口寸法は巨大になる。一方、超臨界CO2ガスタービンの膨張比は約2.5であるのでタービン寸法は格段に小さい図3参照。またシステム構成でも、蒸気タービンは多数段の給水加熱や脱気器等を必要とするのに比べて、新たに必要な機器は再生熱交換器のみであって、非常にシンプルである。それ故、大幅な容積低減、したがって資本費節約を期待できる。Na冷却高速炉に適用した場合の建屋の比較を図4に示す。タービン建屋の容積は60まで大幅に低減される。Na冷却高速炉の課題は、Na-H2O反応による可燃性水素の発生、軽水炉に比べて発電コストが高いことである。CO2は高温例えば600°CではNaと反応するものの反応生成物は固体であることから、基本的には大きな問題とはなり得ない。それ故、蒸気タービンを超臨界CO2ガスタービンに置換することにより、2次Naループ削除の可能性もあり、ガスタービン自体シンプルでコンパクトであることから、大幅なコスト削減を期待できる。それ故、我が国の高速炉計画の主概念Na冷却炉蒸気タービンを補完する代替概念として、また将来の高性能合理化概念としての意義は大きい。高温ガス炉の課題は、ヘリウムガス温度850°Cの場合、燃料温度は1200°Cに達するためにCs-137やAg-110mといった放射性物質が拡散でヘリウムガス中に放出され、これらがタービンや熱交換器に沈着することにより保守が困難になることである。超臨界CO2ガスタービンでは650°Cで850°Cのヘリウムガスタービンに比べてやや低い程度の高い熱効率が得られる。それ故、この温度差を利用することにより、FP放出の排除や間接サイクルの採用により、この問題を根本的に解決することが可能であるタービン作動媒体であるCO2は大気の主要構成気体の一つであり、大気圧下で、温度650°Cまでは化学的に非常に安定で、毒性も無く、金属材料との両立性においても優れている。系統外へ漏洩しても、火災や人的障害の可能性は無い。勿論、資源問題も無い。この点、天然ガス中にごく少量含まれるヘリウムガスと比べると資源の観点からの経済性に優れている。Na冷却高速炉への適用を考えると、水蒸気がNaと反応して可燃性水素を生成するのに対して、CO2はNaと現在の定格運転温度550°Cまでの温度領域では事実上殆ど反応しない大きな利点がある。核融合炉への適用を考えると、トリチウムは水と簡単には分離できないのに対して、CO2との分離は容易である大きな利点がある。天然ガス燃焼火力発電への応用については、世界的に未だ報告が無い。これは、超臨界CO2ガスタービンで必要な熱源温度が400°C以上で、燃焼ガスの熱エネルギーを十分に利用できないことと、圧力が約20MPaという高圧で、ほぼ大気圧の燃焼ガスとの間に大きな圧力差があり、加熱器の構造設計が困難であるためと推測される。前者については燃焼ガスの排熱をエコノマイザーにより燃焼器への給気の加熱に活用すること、高圧に関しては、圧縮機のCO2のみを高圧とし、高圧タービンで一旦圧力を下げた後に加熱器にCO2を供給する、2段タービンサイクルを採用することで、問題の解決を図れる。システムの系統熱収支図を図5に示す。本システムでは、蒸気タービンの熱効率が40以下であるのに対して、650°Cの超臨界CO2ガスタービンでは43.4の高い熱効率CO2サイクルのみでは47を達成できるので、3以上の熱効率向上及び資本費低減を期待できる。CO2は非常に高温ではCOとO2に解離するが、650°C以下では殆ど無視できる。それ故、超臨界CO2ガスタービンは500~650°Cの中温領域で優れた発電システムであるといえ、具体的適用先としては、Na冷却高速炉や高温ガス炉、核融合炉の原子力発電用として、また天然ガス燃焼火力発電用がある。図2において、入口圧力と温度がそれぞれ8.3MPa、35°Cの超臨界CO2流体を20.6MPa、67°Cに昇圧させるための断熱効率95以上の超臨界CO2用高速ブロアコンプレッサーにおいて、超臨界CO2の臨界点近傍の使用条件下での超臨界CO2用高速ブロアインペラに流入するCO2流体のキャビテーションを防止するため、インペラ手前に軸流タイプインデューサーと静翼を配置し、インデューサーにより昇圧を行い流体の不安定流動や閉塞を防止する。図2において、入口圧力と温度がそれぞれ8.3MPa、35°Cの超臨界CO2流体を20.6MPa、67°Cに昇圧させるためのCO2ブロアを駆動する高速電動機を完全密閉型としてCO2の漏れを防ぐ方式として、使用する軸受の方式を自己動圧軸受けとしてメンテナンスフリー状態とするために、臨界状態CO2流体を使用できる液体自己動圧軸受けを設ける。これにより、電動機内軸受け側に半円形の溝を設けることにより、ローター軸と軸受け間とのCO2流体の軸回転によって生じる流体流れをこの溝にまきこみ、くさび効果によって生じる動圧により軸受けを浮揚させる。図2において、入口圧力と温度がそれぞれ8.3MPa、35°Cの超臨界CO2流体を20.6MPa、67°Cに昇圧させるための完全密閉型CO2ブロアの動圧軸受けを常時適切な温度に冷却するため、インペラ背面に回りこむ吸込み側低温液にて軸受けを冷却してブロア入口側に液体循環バイパスラインで戻す自己冷却軸受けを設ける。図2において、入口圧力と温度がそれぞれ20MPa、527°Cの超臨界CO2流体作動流体を8.5MPa、423°Cとなるまで95以上の断熱効率により運動エネルギーを取り出すための超臨界CO2ガスタービンの高効率化を図るため、臨界流体相当状態でも効率の高いタービン羽根が必要である。そのため、羽根の曲面曲率の大きい完全3次元羽根軸流タイプ動翼とする。図2におけるタービン用発電機も完全密閉状態高速発電機を使用するのでCO2ブロア用電動機同様、自己冷却、自己動圧軸受けとする。Na冷却高速炉の課題は、Na-H2O反応による可燃性水素の発生、軽水炉に比べて発電コストが高いことであるから、これらの課題解決に寄与することは、我が国の核燃料サイクルが、国民に歓迎されるより安全で、より経済性の高いものなることを意味している。地球温暖化対策や環境汚染問題を考える場合、このことは極めて重要である。超臨界CO2ガスタービン発電システムは、天然ガス燃焼火力発電、地熱発電、太陽光発電、高温ガス炉、核融合炉においても有効に活用される可能性が高く、これらの分野における貢献も期待される。図2において、超臨界二酸化炭素CO2ガスタービン発電システムは、4のNa冷却高速炉等中高温度域の熱源に5の中間熱交換器を介して、7の超臨界CO2ガス用の主圧縮機、8のバイパス圧縮機、9のタービン、10の発電機、11の前置冷却器、12および13の再生熱交換器I及びIIならびに各種配管から構成され、超臨界点近傍での気体分子間力の特異性により圧縮仕事が軽減されることに着目した全く新しい高効率閉サイクルガスタービン発電システムである。圧縮仕事は同じ閉サイクルヘリウムガスタービンに比べると半減される。図6において、36の超臨界CO2圧縮用遠心ブロアコンプレッサーは、CO2がブロア内にて臨界圧状態に達する圧縮過程において、高速回転のブロアインペラ内を通過する流体が気体と液体の中間状態で不安定な状態となる時に、インペラ翼間を気体状態のCO2が閉塞させることで流量が充分に流れなくなる。それを防ぐためインペラの上流部に32および33の軸流タイプインデューサー羽根と34の静翼を設けることでインペラ前での充分な昇圧を行い、36の高速ブロワインペラでのキャビテーションを防ぎ遠心インペラ内での気体による閉塞を防止することにより流量を確保するとともに、安定した運転状態維持を可能とする。図7において、CO2ブロアを駆動する41~46の高速電動機を完全密閉型としてCO2の漏れを防ぐ方式として使用する軸受の方式を自己動圧軸受けとしてメンテナンスフリー状態とするために、45の臨界状態CO2流体を使用できる液体自己動圧軸受けを設ける。これは、電動機内軸受け側に46の半円形の溝を設けることにより、43のローター軸と45の軸受け間とのCO2流体の軸回転によって生じる流体流れをこの溝にまきこみ、くさび効果によって生じる動圧により43の軸を浮揚させる。図7において、45の完全密閉型CO2ブロアの動圧軸受けを常時適切な温度に冷却するため、インペラ背面に回りこむ吸込み側低温液にて45の軸受けを冷却してブロア入口側に40の液体循環バイパスラインで戻す自己冷却軸受けを設ける。図8において、超臨界CO2ガスタービンの高効率化を図るため臨界液相当状態でも効率の高いタービン羽根が必要である。そのため、47の従来型羽根に対して50の曲面曲率の大きい完全3次元羽根軸流タイプ動翼とする。タービン用発電機も完全密閉状態高速発電機を使用するので、図7のCO2ブロア用電動機同様、40及び45の自己冷却、自己動圧軸受けとする。