JP7591993B2 - 熱供給システムおよび熱供給方法 - Google Patents
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Description
本開示は、熱供給システムおよび熱供給方法に関するものである。
低炭素社会を実現する技術として、例えば、高温ガス炉がある。高温ガス炉は、運転温度が軽水炉に比べて高温である。高温ガス炉は、燃料の被覆にセラミックス材料を使用し、冷却材がヘリウム、減速材が黒鉛である。高温ガス炉は、運転温度が高く、高い熱エネルギーが得られる。従来の熱供給システムは、例えば、高温ガス炉で得られた高温の１次ヘリウムと２次ヘリウムとの間で熱交換することで２次ヘリウムを加熱し、高温の２次ヘリウムによりタービンを駆動して発電を行う。
ところで、高温ガス炉は、原子炉で核反応によりトリチウムが発生する。水素や水素の同位体であるトリチウムは、金属の内部を透過する性質がある。そのため、冷却材である１次ヘリウムに混入した水素やトリチウムが伝熱管を透過して２次ヘリウムに混入するため、２次ヘリウムからトリチウムを除去する必要がある。原子炉で発生した水素を除去する技術として、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。
上述した特許文献１の技術は、液体ナトリウム中の水素を水素トラップにより除去することが記載されているものの、どのように水素を除去するのか具体的な構成が記載されていない。
本開示は、上述した課題を解決するものであり、水素の同位体を効率良く除去可能な熱供給システムおよび熱供給方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本開示の熱供給システムは、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された１次熱媒体を用いて２次熱媒体を加熱する熱交換器と、前記１次熱媒体で加熱された２次熱媒体により作動する作動装置と、前記２次熱媒体にある水素の同位体を除去する水素除去装置と、を備える。
本開示の熱供給方法は、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された１次熱媒体を用いて２次熱媒体を加熱する工程と、前記１次熱媒体で加熱された２次熱媒体により作動装置を作動する工程と、前記２次熱媒体に酸素を供給する工程と、前記２次熱媒体に混在する水素の同位体を除去する工程と、を有する。
本開示の熱供給方法は、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された１次熱媒体を用いて２次熱媒体を加熱する工程と、前記１次熱媒体で加熱された２次熱媒体により作動装置を作動する工程と、水素透過金属膜を用いて前記２次熱媒体から混在する水素の同位体を分離する工程と、を有する。
本開示の熱供給システムおよび熱供給方法によれば、水素の同位体を効率良く除去することができる。
以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。
［第１実施形態］
＜熱供給システム＞
図１は、第１実施形態の熱供給システムを表す概略構成図である。
＜熱供給システム＞
図１は、第１実施形態の熱供給システムを表す概略構成図である。
第１実施形態において、図１に示すように、熱供給システム１０は、熱源１１と、熱交換器１２と、発電装置（作動装置）１３と、水素除去装置１４とを備える。
熱源１１は、高温ガス炉であり、９００℃以上の熱エネルギーを発生可能である。なお、熱源１１は、高温ガス炉に限定されるものではなく、６００℃以上の熱エネルギーを発生可能なものであればよい。熱源としては、例えば、電気炉、ヘリオスタット式太陽熱集光装置、ボイラ、ガスタービン排熱などを適用してもよい。
熱源１１としての高温ガス炉は、燃料の被覆にセラミックス材料を使用し、冷却材をヘリウムとし、減速材を黒鉛とする原子炉である。高温ガス炉は、９００℃以上の熱媒体としてのヘリウムガスを生成可能である。熱源１１としての高温ガス炉は、第１循環経路Ｌ１１が連結される。第１循環経路Ｌ１１は、熱源１１の他に、熱交換器１２が連結される。
熱交換器１２は、第１循環経路Ｌ１１を流れる１次ヘリウム（１次熱媒体）と第２循環経路Ｌ１２を流れる２次ヘリウム（２次熱媒体）との間で熱交換を行う。すなわち、熱交換器１２は、第１循環経路Ｌ１１を流れる、例えば、９５０℃の１次ヘリウムにより第２循環経路Ｌ１２を流れる２次ヘリウムを、例えば、９００℃に加熱する。
第１循環経路Ｌ１１は、熱源１１および熱交換器１２の他に、再生熱交換器２１、冷却器２２、圧縮機２３が連結される。冷却器２２は、熱交換器１２で熱交換した１次ヘリウムを冷却する。圧縮機２３は、第１循環経路Ｌ１１を流れて冷却器２２により冷却された１次ヘリウムを圧縮する。再生熱交換器２１は、熱交換器１２で熱交換した１次ヘリウムと、冷却器２２により冷却されて圧縮機２３により圧縮された１次ヘリウムとの間で熱交換する。
また、第１循環経路Ｌ１１は、迂回経路Ｌ１３を介して第１純化装置２４が連結される。第１純化装置２４は、酸化銅触媒２５とモレキュラーシーブ２６とを有する。熱源１１としての高温ガス炉は、冷却材としてヘリウムを使用していることから、原子炉で核反応により水素（軽水素）や水素の同位体である二重水素および三重水素（トリチウム）が発生する。第１純化装置２４は、第１ヘリウムに混在する水素、二重水素、三重水素（トリチウム）を除去する。
第１循環経路Ｌ１１を流れる１次ヘリウムは、一部が迂回経路Ｌ１３を通って第１純化装置２４に流れる。１次ヘリウムは、酸化銅触媒２５によりで水素、二重水素、三重水素（トリチウム）を水とトリチウム水に酸化する。
ＣｕＯ＋Ｈ２→Ｃｕ＋Ｈ２Ｏ
モレキュラーシーブ２６は、トリチウム水のトリチウムを吸着して除湿する。水分を吸着したモレキュラーシーブ２６は、加熱して水分を蒸発させることで再生される。水素などが除去された１次ヘリウムは、戻し経路Ｌ１４を通して第１循環経路Ｌ１１に戻される。
ＣｕＯ＋Ｈ２→Ｃｕ＋Ｈ２Ｏ
モレキュラーシーブ２６は、トリチウム水のトリチウムを吸着して除湿する。水分を吸着したモレキュラーシーブ２６は、加熱して水分を蒸発させることで再生される。水素などが除去された１次ヘリウムは、戻し経路Ｌ１４を通して第１循環経路Ｌ１１に戻される。
第２循環経路Ｌ１２は、熱交換器１２の他に、発電装置１３、水素除去装置１４、循環ポンプ１５が連結される。循環ポンプ１５は、熱交換器１２で高温となった２次ヘリウムを第２循環経路Ｌ１２により循環する。すなわち、循環ポンプ１５は、高温の２次ヘリウムを発電装置１３に供給した後、熱交換器１２に戻す。
発電装置１３は、タービン３１と、圧縮機３２と、発電機３３と、再生熱交換器３４と、冷却器３５とを備える。ここで、タービン３１は、ヘリウムを燃料としたガスタービンであるが、蒸気タービンであってもよい。
タービン３１と圧縮機３２は、回転軸３６により一体回転可能に連結される。発電機３３は、回転軸３７によりタービン３１に駆動連結される。タービン３１は、第２循環経路Ｌ１２が接続される。タービン３１は、経路Ｌ２１により再生熱交換器３４に接続され、再生熱交換器３４は、経路Ｌ２２により冷却器３５に接続される。冷却器３５は、経路Ｌ２３により圧縮機３２に接続され、圧縮機３２は、経路Ｌ２４により再生熱交換器３４に接続される。再生熱交換器３４は、第２循環経路Ｌ１２に接続される。
タービン３１は、第２循環経路Ｌ１２から供給される高温の２次ヘリウムにより駆動する。タービン３１の駆動回転力は、回転軸３７を介して発電機３３に伝達され、発電機３３が駆動して発電を行う。タービン３１を駆動した２次ヘリウムは、経路Ｌ２１により再生熱交換器３４に供給され、経路Ｌ２２により冷却器３５に供給されて冷却される。冷却器３５で冷却された２次ヘリウムは、圧縮機３２に供給される。圧縮機３２は、タービン３１と一体に駆動回転し、２次ヘリウムを圧縮する。圧縮機３２で圧縮された２次ヘリウムは、再生熱交換器３４に供給される。再生熱交換器３４は、タービン３１を駆動した２次ヘリウムと、圧縮機３２で圧縮された２次ヘリウムとの間で熱交換する。すなわち、圧縮機３２で圧縮された２次ヘリウムは、タービン３１を駆動した２次ヘリウムにより加熱された後、第２循環経路Ｌ１２に戻される。
水素除去装置１４は、酸素供給装置４１と、第２純化装置４２とを備える。酸素供給装置４１と第２純化装置４２は、第２循環経路Ｌ１２に連結される。酸素供給装置４１は、第２循環経路Ｌ１２における第２純化装置４２より上流側に設けられる。
前述したように、熱源１１としての高温ガス炉は、水素や水素の同位体である二重水素、三重水素（トリチウム）が発生し、第１ヘリウムに混在する。水素、二重水素、三重水素（トリチウム）は、金属の内部を透過する性質がある。そのため、第１ヘリウムに混在する水素、二重水素、三重水素（トリチウム）は、一部が熱交換器１２の伝熱管を透過し、２次ヘリウムに混入する。水素除去装置１４は、第２ヘリウムに混在する水素、二重水素、三重水素（トリチウム）を除去する。
酸素供給装置４１は、酸素供給経路Ｌ３１と、酸素タンク５１と、圧縮機５２と、開閉弁５３とを有する。酸素供給経路Ｌ３１は、一端部が第２循環経路Ｌ１２に接続され、他端部に酸素タンク５１が接続される。圧縮機５２と開閉弁５３は、酸素供給経路Ｌ３１に設けられる。開閉弁５３は、酸素供給経路Ｌ３１における圧縮機５２の下流側に設けられる。
圧縮機５２を駆動し、開閉弁５３を開放すると、酸素タンク５１の酸素が圧縮された後、酸素供給経路Ｌ３１を通して第２循環経路Ｌ１２に供給される。酸素の圧力は、第２循環経路Ｌ１２を流れる２次ヘリウムの圧力より高い。酸素は、第２循環経路Ｌ１２にて、２次ヘリウム中の水素、二重水素、三重水素（トリチウム）に接触する。ここで、２次ヘリウム中の水素、二重水素、三重水素（トリチウム）は、酸素により酸化され、トリチウムを含んだ水になる。
なお、酸素供給装置４１は、酸素タンク５１の酸素を圧縮機５２で圧縮して第２循環経路Ｌ１２に供給したが、この構成に限定されるものではない。例えば、第２循環経路Ｌ１２に高圧の酸素が貯留された酸素ボンベを接続してもよく、この場合、圧縮機５２が不要になる。また、酸素の代わりに酸素を含む圧縮空気を第２循環経路Ｌ１２に供給してもよい。この場合、第２循環経路Ｌ１２に供給された空気は、水素などを酸化することで酸素が消費されるものの、窒素などが消費されずに残留される。そのため、第２循環経路Ｌ１２に窒素除去装置を設けることが好ましい。
第２純化装置４２は、第１純化装置２４と同様であり、酸化銅触媒５４とモレキュラーシーブ５５とを有する。第２循環経路Ｌ１２は、迂回経路Ｌ４１および戻し経路Ｌ４２を介して第２純化装置４２が連結される。なお、迂回経路Ｌ４１は、オリフィスなどの絞り弁を設けることが好ましい。
第２循環経路Ｌ１２を流れる２次ヘリウムは、一部が迂回経路Ｌ４１を通して第２純化装置４２に流れる。２次ヘリウムは、酸化銅触媒５４により水素、二重水素、三重水素（トリチウム）を水やトリチウム水に酸化する。モレキュラーシーブ５５は、トリチウム水のトリチウムを吸着して除湿する。水分を吸着したモレキュラーシーブ５５は、加熱して水分を蒸発させることで再生される。水素などが除去された２次ヘリウムは、戻し経路Ｌ４２を通して第２循環経路Ｌ１２に戻される。
＜熱供給方法＞
第１実施形態の熱供給方法は、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された１次ヘリウム（１次熱媒体）を用いて２次ヘリウム（２次熱媒体）を加熱する工程と、１次ヘリウムで加熱された２次ヘリウムにより発電装置（作動装置）１３を作動する工程と、２次ヘリウムに酸素を供給する工程と、２次ヘリウムに混在する水素の同位体を除去する工程とを有する。
第１実施形態の熱供給方法は、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された１次ヘリウム（１次熱媒体）を用いて２次ヘリウム（２次熱媒体）を加熱する工程と、１次ヘリウムで加熱された２次ヘリウムにより発電装置（作動装置）１３を作動する工程と、２次ヘリウムに酸素を供給する工程と、２次ヘリウムに混在する水素の同位体を除去する工程とを有する。
具体的に説明すると、熱源１１としての高温ガス炉は、例えば、９５０℃の１次ヘリウムを生成する。高温の１次ヘリウムは、第１循環経路Ｌ１１を流れ、熱交換器１２にて、第２循環経路Ｌ１２を流れる２次ヘリウムと交換を行い、２次ヘリウムを、例えば、９００℃まで加熱する。熱交換器１２で熱交換された２次ヘリウムは、第２循環経路Ｌ１２を循環し、発電装置１３に供給される。
発電装置１３にて、タービン３１は、第２循環経路Ｌ１２から供給される高温の２次ヘリウムにより駆動し、発電機３３は、タービン３１の駆動回転力が伝達されることで駆動し、発電を行う。タービン３１を駆動した２次ヘリウムは、再生熱交換器３４、冷却器３５、圧縮機３２を経て第２循環経路Ｌ１２に戻される。
このとき、酸素供給装置４１は、圧縮機５２を駆動し、開閉弁５３を開放する。すると、酸素タンク５１の酸素が酸素供給経路Ｌ３１を通して第２循環経路Ｌ１２に供給される。第２循環経路Ｌ１２に酸素が供給されると、２次ヘリウム中の水素、二重水素、三重水素（トリチウム）は、酸素が接触することで酸化され、水やトリチウム水になる。
また、第２循環経路Ｌ１２を流れる２次ヘリウムは、一部が迂回経路Ｌ４１を通して第２純化装置４２に流れる。２次ヘリウムは、酸化銅触媒５４で水素、二重水素、三重水素（トリチウム）が酸化され、水やトリチウム水になる。このとき、２次ヘリウムは、酸素が含まれていることから、酸化銅触媒５４による酸化機能が向上すると共に、酸化触媒作用の負荷が軽減され、水素などの除去率が向上する。モレキュラーシーブ５５は、トリチウム水のトリチウムを吸着して除湿する。水素、二重水素、三重水素（トリチウム）が除去された２次ヘリウムは、戻し経路Ｌ４２を通して第２循環経路Ｌ１２に戻される。
酸素供給装置４１により酸素が供給された２次ヘリウムは、熱交換器１２に戻される。このとき、熱交換器１２の伝熱管は、２次ヘリウムに含まれる酸素により表面に酸化被膜が形成される。そのため、伝熱管に対する水素、二重水素、三重水素（トリチウム）の透過が抑制される。すなわち、第１循環経路Ｌ１１を流れる１次ヘリウムから第２循環経路Ｌ１２を流れる２次ヘリウムへの水素、二重水素、三重水素（トリチウム）の混入を抑制することができる。
［第２実施形態］
図２は、第２実施形態の熱供給システムを表す概略構成図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
図２は、第２実施形態の熱供給システムを表す概略構成図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
第２実施形態において、図２に示すように、熱供給システム１０Ａは、熱源１１と、熱交換器１２と、発電装置（作動装置）１３と、水素除去装置１４Ａとを備える。
水素除去装置１４Ａは、酸素供給装置４１と、第２純化装置４２とを備える。酸素供給装置４１は、酸素供給経路Ｌ３１と、酸素タンク５１と、圧縮機５２と、開閉弁５３とを有する。開閉弁５３は、流量調整弁である。第２純化装置４２は、酸化銅触媒５４とモレキュラーシーブ５５とを有する。
第２純化装置４２における戻し経路Ｌ４２は、迂回経路Ｌ４３が設けられる。迂回経路Ｌ４３は、酸素濃度計５６が設けられる。第２純化装置４２により水素などが除去された２次ヘリウムは、戻し経路Ｌ４２により第２循環経路Ｌ１２に戻される。戻し経路Ｌ４２を流れる２次ヘリウムは、一部が迂回経路Ｌ４３に流れる。酸素濃度計５６は、迂回経路Ｌ４３を流れる２次ヘリウムに含まれる酸素の濃度（酸素濃度）を計測する。開閉弁５３は、酸素濃度計５６が計測した２次ヘリウム中の酸素濃度に応じて開度が調整される。すなわち、開閉弁５３は、２次ヘリウム中の酸素濃度が予め設定された酸素判定値より低ければ、開度が大きくなるように調整される。一方、開閉弁５３は、２次ヘリウム中の酸素濃度が酸素判定値以上であれば、開度が小さくなるように調整される。
なお、水素除去装置１４Ａは、迂回経路Ｌ４３に設けられた酸素濃度計５６に代えて、水素濃度計を設けてもよい。水素濃度計は、迂回経路Ｌ４３を流れる２次ヘリウムに含まれる水素の濃度（水素濃度）を計測する。開閉弁５３は、水素濃度計が計測した２次ヘリウム中の水素濃度に応じて開度が調整される。すなわち、開閉弁５３は、２次ヘリウム中の水素濃度が予め設定された水素判定値より低ければ、開度が小さくなるように調整される。一方、開閉弁５３は、２次ヘリウム中の水素濃度が水素判定値以上であれば、開度が大きくなるように調整される。
第２実施形態の熱供給方法において、熱交換器１２は、第１循環経路Ｌ１１を流れる１次ヘリウムと第２循環経路Ｌ１２を流れる２次ヘリウムと交換を行い、２次ヘリウムを加熱する。熱交換器１２で熱交換された２次ヘリウムは、第２循環経路Ｌ１２を循環し、発電装置１３に供給される。発電装置１３にて、タービン３１は、高温の２次ヘリウムにより駆動し、発電機３２を駆動して発電を行う。
酸素供給装置４１は、圧縮機５２を駆動し、開閉弁５３を開放することで、酸素タンク５１の酸素を酸素供給経路Ｌ３１から第２循環経路Ｌ１２に供給する。第２循環経路Ｌ１２を流れる２次ヘリウムは、２次ヘリウム中の水素、二重水素、三重水素（トリチウム）が酸素により酸化されて水やトリチウム水になる。
また、第２循環経路Ｌ１２を流れる２次ヘリウムは、一部が迂回経路Ｌ４１を通して第２純化装置４２に流れ、酸化銅触媒５４により２次ヘリウム中の水素、二重水素、三重水素（トリチウム）が酸化されて水やトリチウム水になる。そして、水素、二重水素、三重水素（トリチウム）が除去された２次ヘリウムは、戻し経路Ｌ４２を通して第２循環経路Ｌ１２に戻される。
このとき、戻し経路Ｌ４２を流れる２次ヘリウムは、一部が迂回経路Ｌ４３に流れる。迂回経路Ｌ４３に設けられた酸素濃度計５６は、迂回経路Ｌ４３を流れる２次ヘリウムの酸素濃度を計測する。開閉弁５３は、酸素濃度計５６が計測した２次ヘリウム中の酸素濃度に応じて開度が調整される。すなわち、酸素供給装置４１は、第２循環経路Ｌ１２に酸素を供給し、酸素は、２次ヘリウム中の水素、二重水素、三重水素（トリチウム）を酸化したり、酸化銅触媒５４の酸化機能を向上させたり、熱交換器１２の伝熱管に酸化被膜を形成したりすることで消費される。酸素濃度計５６は、酸素消費後の２次ヘリウム中の酸素濃度を計測し、酸素判定値と比較する。そして、２次ヘリウム中の酸素量が多すぎるときは、開閉弁５３の開度を小さくし、２次ヘリウム中の酸素量が少なすぎるときは、開閉弁５３の開度を大きくする。
［第３実施形態］
図３は、第３実施形態の熱供給システムを表す概略構成図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
図３は、第３実施形態の熱供給システムを表す概略構成図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
第３実施形態において、図３に示すように、熱供給システム１０Ｂは、熱源１１と、熱交換器１２と、発電装置（作動装置）１３と、水素除去装置６１とを備える。
水素除去装置６１は、水素分離装置６２と、切替装置６３と、第１純化装置６４と、第２純化装置６５とを備える。
水素分離装置６２は、水素透過金属膜７１を有する。第２循環経路Ｌ１２は、迂回経路Ｌ５１および戻し経路Ｌ５２により水素分離装置６２が接続される。水素分離装置６２は、水素透過金属膜７１を用いて、２次ヘリウムから水素の同位体としての水素、二重水素、三重水素（トリチウム）を分離する。ここで、水素透過金属膜７１は、パラジウム合金膜である。パラジウム合金膜は、例えば、パラジウム（Ｐｂ）７５％に、銀（Ａｇ）、金（ＡＵ），ルテニウム（Ｒｕ）が含まれる合金であるが、この配合や含有率に限定されるものではない。また、水素透過金属膜７１は、パラジウムに代えて、ニオブ（Ｎｂ）やバナジウム（Ｖ）などの５族の金属を用いてもよい。
水素分離装置６２は、水素透過金属膜７１を透過する水素の同位体の透過速度を用いて水素と二重水素および三重水素とに分離する。水素は、２個の水素原子からなる水素分子として存在する。水素分子は、水素透過金属膜７１の高圧側の表面に付着する。ここで、水素分子は、解離し、水素原子が水素透過金属膜７１の内部に入り込んで溶解する。水素透過金属膜７１中の水素原子は、圧力が低い側に移動して拡散させる。そして、水素透過金属膜７１を透過した水素原子同士は、再結合しい水素分子になる。
このとき、水素、二重水素、三重水素（トリチウム）は、水素透過金属膜７１を透過する速度が相違する。水素透過金属膜７１を透過する速度は、水素が最も速く、次に、二重水素が早く、三重水素（トリチウム）が最も遅い。そして、水素の透過速度と二重水素の透過速度に大きな相違がある。
水素分離装置６２は、水素排出経路Ｌ５３を介して切替装置６３が接続される。切替装置６３は、切替経路Ｌ５４，Ｌ５５を介して第１純化装置６４と第２純化装置６５がそれぞれ接続される。第１純化装置６４は、酸化銅触媒７２とモレキュラーシーブ７３とを有する。第２純化装置６５は、酸化銅触媒７４とモレキュラーシーブ７５とを有する。
例えば、迂回経路Ｌ５１に開閉弁を設け、開閉弁を所定時間だけ開放することで、水素分離装置６２に所定量の２次ヘリウムを貯留させる。すると、水素分離装置６２では、２次ヘリウム中の水素、二重水素、三重水素（トリチウム）が順に水素透過金属膜７１を透過していき、水素排出経路Ｌ５３に排出される。このとき、切替装置６３は、水素排出経路Ｌ５３と切替経路Ｌ５４を接続しておく。すると、早期に水素透過金属膜７１を透過した水素は、水素排出経路Ｌ５３と切替経路Ｌ５４を通って第１純化装置６４に流れて処理され、水になる。
水素分離装置６２に２次ヘリウムが貯留されてから、所定時間が経過すると、２次ヘリウム中の水素が水素透過金属膜７１を透過する。このとき、切替装置６３は、水素排出経路Ｌ５３と切替経路Ｌ５５を接続する。すると、次に水素透過金属膜７１を透過した二重水素、三重水素（トリチウム）は、水素排出経路Ｌ５３と切替経路Ｌ５５を通って第２純化装置６５に流れて処理され、トリチウム水になる。
この場合、切替装置６３は、水素排出経路Ｌ５３と切替経路Ｌ５４，Ｌ５５との間の切り替え時期を時間により管理している。但し、この構成に限定されるものではない。例えば、水素排出経路Ｌ５３に水素の放射性濃度を検出する放射性濃度計を設けてもよい。二重水素の原子核は、１つの陽子と１つの中性子からなり、三重水素（トリチウム）は、１つの陽子と２つの中性子からなる。そのため、放射性濃度計は、中性子を計測することで、二重水素や三重水素（トリチウム）を検出する。放射性濃度計が二重水素または三重水素（トリチウム）を検出すると、切替装置６３を作動させる。
第３実施形態の熱供給方法は、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された１次ヘリウム（１次熱媒体）を用いて２次ヘリウム（２次熱媒体）を加熱する工程と、１次ヘリウムで加熱された２次ヘリウムにより発電装置（作動装置）１３を作動する工程と、水素透過金属膜７１を用いて２次ヘリウムから混在する水素の同位体を分離する工程とを有する。
具体的に説明すると、熱交換器１２は、第１循環経路Ｌ１１を流れる１次ヘリウムと第２循環経路Ｌ１２を流れる２次ヘリウムと交換を行い、２次ヘリウムを加熱する。熱交換器１２で熱交換された２次ヘリウムは、第２循環経路Ｌ１２を循環し、発電装置１３に供給される。発電装置１３にて、タービン３１は、高温の２次ヘリウムにより駆動し、発電機３２を駆動して発電を行う。
第２循環経路Ｌ１２を流れる２次ヘリウムは、一部が迂回経路Ｌ５１を通して水素分離装置６２に流れる。水素分離装置６２にて、２次ヘリウムは、高圧であることから、２次ヘリウム中の水素、二重水素、三重水素（トリチウム）は、順に水素透過金属膜７１を透過し、水素排出経路Ｌ５３に排出される。まず、切替装置６３は、水素排出経路Ｌ５３を切替経路Ｌ５４に接続しておく。すると、早期に水素透過金属膜７１を透過した水素は、水素排出経路Ｌ５３から切替経路Ｌ５４を通って第１純化装置６４に流れる。第１純化装置２４は、この水素を酸化して水にする。
そして、所定時間が経過すると、２次ヘリウム中の二重水素や三重水素（トリチウム）が水素透過金属膜７１を透過し始める。このとき、切替装置６３は、水素排出経路Ｌ５３を切替経路Ｌ５５に接続する。すると、次に、水素透過金属膜７１を透過した二重水素や三重水素（トリチウム）は、水素排出経路Ｌ５３から切替経路Ｌ５５を通って第２純化装置６５に流れる。第２純化装置６５は、この二重水素や三重水素（トリチウム）を酸化してトリチウム水とする。一方、水素、二重水素、三重水素（トリチウム）が除去された２次ヘリウムは、水素分離装置６２から戻し経路Ｌ５２を通して第２循環経路Ｌ１２に戻される。
［第４実施形態］
図４は、第４実施形態の熱供給システムを表す概略構成図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
図４は、第４実施形態の熱供給システムを表す概略構成図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
第４実施形態において、図４に示すように、熱供給システム１０Ｃは、熱源１１と、熱交換器１２と、発電装置（作動装置）１３と、水素除去装置８１とを備える。
水素除去装置８１は、酸素供給装置４１と、水素除去装置６１とを備える。
酸素供給装置４１と水素除去装置８１は、第２循環経路Ｌ１２に設けられる。酸素供給装置４１は、第２循環経路Ｌ１２における水素除去装置８１より上流側に設けられる。
なお、酸素供給装置４１は、第１実施形態で説明したものであり、水素除去装置６１は、第３実施形態で説明したものであることから、構成の説明は省略する。また、酸素供給装置４１と水素除去装置６１の作用も、各実施形態で説明したものと同様であることから説明は省略する。
［本実施形態の作用効果］
第１の態様に係る熱供給システムは、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された１次ヘリウム（１次熱媒体）を用いて２次ヘリウム（２次熱媒体）を加熱する熱交換器１２と、１次ヘリウムで加熱された２次ヘリウムにより作動する発電装置（作動装置）１３と、２次ヘリウムにある水素の同位体を除去する水素除去装置１４，１４Ａ，６１，８１と、を備える。
第１の態様に係る熱供給システムは、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された１次ヘリウム（１次熱媒体）を用いて２次ヘリウム（２次熱媒体）を加熱する熱交換器１２と、１次ヘリウムで加熱された２次ヘリウムにより作動する発電装置（作動装置）１３と、２次ヘリウムにある水素の同位体を除去する水素除去装置１４，１４Ａ，６１，８１と、を備える。
第１の態様に係る熱供給システムによれば、熱交換器１２で加熱された２次ヘリウムを発電装置３に供給して作動させるとき、水素除去装置１４，１４Ａ，６１，８１は、２次ヘリウムにある水素の同位体を除去する。そのため、水素の同位体を効率良く除去することができる。
第２の態様に係る熱供給システムは、水素除去装置１４，１４Ａは、２次ヘリウムに酸素を供給する酸素供給装置４１を有する。これにより、第２循環経路Ｌ１２を流れる２次ヘリウム中の水素、二重水素、三重水素（トリチウム）は、供給された酸素によりで酸化されて水やトリチウムになることから、２次ヘリウム中の水素の同位体を適切に除去することができる。また、酸素が供給された２次ヘリウムが熱交換器１２に戻されるため、２次ヘリウム中の酸素により熱交換器１２を構成する伝熱管の表面に酸化被膜が形成される。そのため、第１循環経路Ｌ１１を流れる１次ヘリウムから第２循環経路Ｌ１２を流れる２次ヘリウムへの水素、二重水素、三重水素（トリチウム）の混入を抑制することができる。
第３の態様に係る熱供給システムは、酸素供給装置４１は、２次ヘリウムの水素濃度または酸素濃度に応じて２次ヘリウムに供給する酸素量を調整する。これにより、２次ヘリウムに対して適量の酸素を供給することができる。
第４の態様に係る熱供給システムは、水素除去装置１４，１４Ａ，６１，６８は、酸化銅触媒５４，７２，７４とモレキュラーシーブ５５，７３，７５とから構成される純化装置４２，６４，６５を有する。これにより、２次ヘリウム中の水素の同位体を適切に除去することができる。
第５の態様に係る熱供給システムは、２次ヘリウムの第２循環経路Ｌ１２に第２純化装置４２が設けられると共に、第２循環経路Ｌ１２における第２純化装置４２より上流側に酸素供給装置４１が設けられる。これにより、酸素供給装置４１により酸素が供給された２次ヘリウムが第２純化装置４２に流れることとなり、第２純化装置４２は、酸素が含まれている２次ヘリウムを処理することとなり、酸化銅触媒５４による酸化機能が向上することができると共に、酸化触媒作用の負荷が軽減され、水素などの除去率を向上することができる。
第６の態様に係る熱供給システムは、水素除去装置６１は、水素透過金属膜７１を用いて２次ヘリウムから水素の同位体を分離する水素分離装置６２を有する。これにより、簡単な構成で容易に２次ヘリウム中の水素の同位体を除去することができる。
第７の態様に係る熱供給システムは、水素分離装置６２は、水素透過金属膜７１を透過した水素の同位体を水素と水素以外の水素の同位体とに分離する。これにより、三重水素（トリチウム）を適切に処理することができる。
第８の態様に係る熱供給システムは、水素分離装置６２は、水素透過金属膜７１を透過する水素の同位体の透過速度を用いて水素と三重水素（トリチウム）とに分離する。これにより、水素が水素透過金属膜７１を透過した後、排出経路を切り替えて二重水素と三重水素（トリチウム）を排出処理することで、三重水素（トリチウム）を適切に分離することができる。
第９の態様に係る熱供給システムは、水素分離装置６２は、分離された水素を処理するする酸化銅触媒７２とモレキュラーシーブ７３とから構成される第１純化装置６４と、分離された三重水素を処理するする酸化銅触媒７４とモレキュラーシーブ７５とから構成される第２純化装置６５とを有する。これにより、２次ヘリウム中の水素の同位体を適切に除去することができる。
第１０の態様に係る熱供給システムは、熱エネルギーを発生可能な熱源１１としては、高温ガス炉があり、熱交換器１２は、高温ガス炉で生成された１次ヘリウムの熱エネルギーにより２次ヘリウムを加熱する。これにより、二酸化炭素の発生量を低減することができる。
第１１の態様に係る熱供給方法は、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された１次ヘリウム（１次熱媒体）を用いて２次ヘリウム（２次熱媒体）を加熱する工程と、１次ヘリウムで加熱された２次ヘリウムにより発電装置（作動装置）１３を作動する工程と、２次ヘリウムに酸素を供給する工程と、２次ヘリウムに混在する水素の同位体を除去する工程とを有する。これにより、２次ヘリウム中の水素、二重水素、三重水素（トリチウム）は、供給された酸素によりで酸化されて水やトリチウムになることから、２次ヘリウム中の水素の同位体を適切に除去することができる。また、酸素が供給された２次ヘリウムが熱交換器１２に流れるため、２次ヘリウム中の酸素により熱交換器１２を構成する伝熱管の表面に酸化被膜を形成することができ、１次ヘリウムから２次ヘリウムへの水素、二重水素、三重水素（トリチウム）の混入を抑制することができる。
第１２の態様に係る熱供給方法は、６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された１次ヘリウム（１次熱媒体）を用いて２次ヘリウム（２次熱媒体）を加熱する工程と、１次ヘリウムで加熱された２次ヘリウムにより発電装置（作動装置）１３を作動する工程と、水素透過金属膜７１を用いて２次ヘリウムから混在する水素の同位体を分離する工程とを有する。これにより、水素の同位体を効率良く除去することができる。
なお、上述した実施形態にて、作動装置を発電装置１３としたが、この構成に限定されるものではない。作動装置は、第２熱媒体の熱エネルギーを消費することができる装置であればよい。
また、上述した実施形態にて、熱源１１を高温ガス炉としたが、この構成に限定されるものではない。水素分離装置６２を用いて水素の同位体除去する水素除去装置６１を適用する場合、熱源１１は、高温ガス炉に限らず、軽水炉や高速増殖炉であってもよい。
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 熱供給システム
１１ 熱源
１２ 熱交換器
１３ 発電装置（作動装置）
１４，１４Ａ 水素除去装置
１５ 循環ポンプ
２１ 再生熱交換器
２２ 冷却器
２３ 圧縮機
２４ 第１純化装置
３１ タービン
３２ 圧縮機
３３ 発電機
３４ 再生熱交換器
３５ 冷却器
４１ 酸素供給装置
４２ 第２純化装置
５１ 酸素タンク
５２ 圧縮機
５３ 開閉弁
５４ 酸化銅触媒
５５ モレキュラーシーブ
５６ 酸素濃度計
６１ 水素除去装置
６２ 水素分離装置
６３ 切替装置
７１ 水素透過金属膜
７２ 酸化銅触媒
７３ モレキュラーシーブ
７４ 酸化銅触媒
７５ モレキュラーシーブ
８１ 水素除去装置
Ｌ１１ 第１循環経路
Ｌ１２ 第２循環経路
Ｌ１３ 迂回経路
Ｌ１４ 戻し経路
Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３，Ｌ２４ 経路
Ｌ３１ 酸素供給経路
Ｌ４１ 迂回経路
Ｌ４２ 戻し経路
Ｌ４３ 迂回経路
Ｌ５１ 迂回経路
Ｌ５２ 戻し経路
Ｌ５３ 水素排出経路
Ｌ５４，Ｌ５５ 切替経路
１１ 熱源
１２ 熱交換器
１３ 発電装置（作動装置）
１４，１４Ａ 水素除去装置
１５ 循環ポンプ
２１ 再生熱交換器
２２ 冷却器
２３ 圧縮機
２４ 第１純化装置
３１ タービン
３２ 圧縮機
３３ 発電機
３４ 再生熱交換器
３５ 冷却器
４１ 酸素供給装置
４２ 第２純化装置
５１ 酸素タンク
５２ 圧縮機
５３ 開閉弁
５４ 酸化銅触媒
５５ モレキュラーシーブ
５６ 酸素濃度計
６１ 水素除去装置
６２ 水素分離装置
６３ 切替装置
７１ 水素透過金属膜
７２ 酸化銅触媒
７３ モレキュラーシーブ
７４ 酸化銅触媒
７５ モレキュラーシーブ
８１ 水素除去装置
Ｌ１１ 第１循環経路
Ｌ１２ 第２循環経路
Ｌ１３ 迂回経路
Ｌ１４ 戻し経路
Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３，Ｌ２４ 経路
Ｌ３１ 酸素供給経路
Ｌ４１ 迂回経路
Ｌ４２ 戻し経路
Ｌ４３ 迂回経路
Ｌ５１ 迂回経路
Ｌ５２ 戻し経路
Ｌ５３ 水素排出経路
Ｌ５４，Ｌ５５ 切替経路
Claims (9)
- ６００℃以上の熱エネルギーを発生可能な高温ガス炉と、
前記高温ガス炉で発生した６００℃以上の熱エネルギーにより１次熱媒体が加熱されてこの加熱された前記１次熱媒体を用いて２次熱媒体を加熱する熱交換器と、
前記１次熱媒体で加熱された２次熱媒体により作動する作動装置と、
前記２次熱媒体にある水素の同位体を除去する水素除去装置と、
を備え、
前記水素除去装置は、水素透過金属膜を用いて前記２次熱媒体から水素の同位体を分離する水素分離装置を有し、
前記水素分離装置は、前記水素透過金属膜を透過した水素の同位体を水素と水素以外の水素の同位体とに分離するものであり、
前記水素分離装置は、分離された水素を処理する酸化銅触媒とモレキュラーシーブとから構成される第１純化装置と、分離された三重水素を処理する酸化銅触媒とモレキュラーシーブとから構成される第２純化装置とを有する、
熱供給システム。 - 前記水素分離装置は、前記水素透過金属膜を透過する水素の同位体の透過速度を用いて水素と三重水素とに分離する、
請求項１に記載の熱供給システム。 - 前記水素除去装置は、前記２次熱媒体に酸素を供給する酸素供給装置を有する、
請求項１または請求項２に記載の熱供給システム。 - 前記酸素供給装置は、前記２次熱媒体の水素濃度または酸素濃度に応じて、前記２次熱媒体に供給する酸素量を調整する、
請求項３に記載の熱供給システム。 - 前記水素除去装置は、酸化銅触媒とモレキュラーシーブとから構成される純化装置を有する、
請求項３または請求項４に記載の熱供給システム。 - 前記２次熱媒体の循環経路に前記純化装置が設けられると共に、前記循環経路における前記純化装置より上流側に前記酸素供給装置が設けられる、
請求項５に記載の熱供給システム。 - 前記熱交換器は、前記高温ガス炉で生成された１次ヘリウムの熱エネルギーにより２次ヘリウムを加熱する、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の熱供給システム。 - 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の熱供給システムを用いる熱供給方法であって、
６００℃以上の熱エネルギーにより加熱された１次熱媒体を用いて２次熱媒体を加熱する工程と、
前記１次熱媒体で加熱された２次熱媒体により作動装置を作動する工程と、
前記２次熱媒体に酸素を供給する工程と、
前記２次熱媒体に混在する水素の同位体を除去する工程と、
を有する熱供給方法。 - 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の熱供給システムを用いる熱供給方法であって、
６００℃以上の熱エネルギーにより１次熱媒体が加熱されてこの加熱された前記１次熱媒体を用いて２次熱媒体を加熱する工程と、
前記１次熱媒体で加熱された２次熱媒体により作動装置を作動する工程と、
水素透過金属膜を用いて前記２次熱媒体から混在する水素の同位体を分離する工程と、
を有する熱供給方法。
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