特開 2022-180685 水素除去装置、原子力発電プラント、および水素除去方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022180685

(43)【公開日】2022-12-07

(54)【発明の名称】水素除去装置、原子力発電プラント、および水素除去方法

(51)【国際特許分類】

   G21C 9/06 20060101AFI20221130BHJP

   C01B 3/00 20060101ALI20221130BHJP

   G21D 3/08 20060101ALI20221130BHJP

【ＦＩ】

G21C9/06

C01B3/00 Z

G21D3/08 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021087292

(22)【出願日】2021-05-25

(71)【出願人】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】弁理士法人開知

(72)【発明者】

【氏名】矢野 資

(72)【発明者】

【氏名】滝井 太一

(72)【発明者】

【氏名】木藤 和明

(72)【発明者】

【氏名】富永 和生

(72)【発明者】

【氏名】松崎 隆久

(72)【発明者】

【氏名】浜田 克紀

【テーマコード（参考）】

4G140

【Ｆターム（参考）】

4G140AB03

(57)【要約】

【課題】水素除去の速度を低下させることなく、かつ、熱暴走を回避しながら水素を安全に除去することが可能な水素除去装置、原子力発電プラント、および水素除去方法を提供する。
【解決手段】水素含有ガスから水素を除去する水素除去装置５１は、水素含有ガスが通過する筐体３内に２種以上の金属酸化物からなる顆粒１，２が充填されており、金属酸化物は、少なくとも一つは水素との反応が発熱反応のものであり、かつ少なくとも一つは水素との反応が吸熱反応のものである。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素含有ガスから水素を除去する水素除去装置であって、
前記水素含有ガスが通過する筐体内に２種以上の金属酸化物からなる顆粒が充填されており、
前記金属酸化物は、少なくとも一つは前記水素との反応が発熱反応のものであり、かつ少なくとも一つは前記水素との反応が吸熱反応のものである
ことを特徴とする水素除去装置。

【請求項2】

請求項１に記載の水素除去装置において、
前記発熱反応となる前記金属酸化物と前記吸熱反応となる前記金属酸化物との充填比率が、前記反応における発熱量と吸熱量とが等しくなるように決定されたものである
ことを特徴とする水素除去装置。

【請求項3】

請求項１に記載の水素除去装置において、
前記発熱反応となる前記金属酸化物が、酸化銅と酸化鉛のうちの１つ以上を含む
ことを特徴とする水素除去装置。

【請求項4】

請求項１に記載の水素除去装置において、
前記吸熱反応となる前記金属酸化物が、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化スズのうちの１つ以上を含む
ことを特徴とする水素除去装置。

【請求項5】

請求項１に記載の水素除去装置において、
前記発熱反応となる前記金属酸化物が酸化銅であり、かつ、前記吸熱反応となる前記金属酸化物が酸化鉄である
ことを特徴とする水素除去装置。

【請求項6】

請求項５に記載の水素除去装置において、
前記酸化銅の充填質量が、前記酸化鉄の充填質量の０．５８倍以上である
ことを特徴とする水素除去装置。

【請求項7】

請求項５に記載の水素除去装置において、
前記酸化銅の平均直径が３０ｍｍ以下である
ことを特徴とする水素除去装置。

【請求項8】

請求項６に記載の水素除去装置において、
前記酸化鉄の平均直径が前記酸化銅の平均直径の５分の１以下である
ことを特徴とする水素除去装置。

【請求項9】

請求項５に記載の水素除去装置において、
前記酸化銅または前記酸化鉄のうち少なくとも一方が、短径が長径の３分１以下の扁平形状である
ことを特徴とする水素除去装置。

【請求項10】

請求項５に記載の水素除去装置において、
前記筐体は、
前記酸化銅の顆粒の充填比率が前記酸化鉄の充填比率より高い第１領域と、
前記酸化鉄の顆粒の充填比率が前記酸化銅の充填比率より高い第２領域と、を有する
ことを特徴とする水素除去装置。

【請求項11】

請求項１０に記載の水素除去装置において、
前記第１領域と前記第２領域とのいずれを前記水素含有ガスの流れの上流とするかを選択するバルブを更に備えた
ことを特徴とする水素除去装置。

【請求項12】

請求項１に記載の水素除去装置において、
前記筐体の前記水素含有ガスの流れ方向の上流側と下流側との少なくともいずれか一方に配置された送気装置を更に備えた
ことを特徴とする水素除去装置。

【請求項13】

請求項１に記載の水素除去装置において、
前記筐体内の水を排出するドレイン用配管を更に備えた
ことを特徴とする水素除去装置。

【請求項14】

請求項１に記載の水素除去装置を備えた
ことを特徴とする原子力発電プラント。

【請求項15】

水素含有ガスから水素を除去する方法であって、
少なくとも一つは前記水素との反応が発熱反応の金属酸化物の顆粒、および少なくとも一つは前記水素との反応が吸熱反応の金属酸化物の顆粒を充填した筐体内を前記水素含有ガスを通過させる
ことを特徴とする水素除去方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は安全性に対応した水素除去装置、原子力発電プラント、および水素除去方法に関する。

【背景技術】

【0002】

反応材からの酸素遊離を抑えつつ被処理ガスに含まれる水素をスムーズに処理し、反応熱に起因する熱損傷を低減可能な水素除去装置の一例として、特許文献１には、水素除去装置は、導入されたガスが水素と反応する反応材で構成される反応部を通過することで、ガスに含まれる水素を除去する装置であって、この反応部を内包する筐体と、この筐体にガスを導入する入口部と、筐体に導入されて反応部を通過したガスを前記筐体外へ導く出口部と、を備え、反応材は、水素と反応する物質で構成される純粋反応材に、形態を安定化させるとともに水素と反応しない結合材を添加して構成される加工反応材である、ことが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－５１５１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

原子力発電プラントにおいて、原子炉をより安全に運転するためには、平常時であれ事故時であれ、炉内で発生した水素を除去する必要がある。

【0005】

特に、原子炉圧力容器内に配置された炉心が溶融し水蒸気だけでなく水素が発生するような事態が万が一の確率で発生した場合でも、水素爆発を回避して原子力発電プラントの安全性を確保するために、水素を安定して除去する必要がある。

【0006】

そのための技術の一環として、金属酸化物、具体的には、酸化銅の顆粒を充填した容器を設置し、容器に水素含有ガスを流入させて水素を酸化銅と反応させ、気体または液体の水に変換することで水素を除去することが知られている。

【0007】

しかし、水素と酸化銅との反応は発熱反応であるため、水素除去時に温度が上昇し、温度上昇により反応が加速され、温度上昇と反応加速の繰り返しにより熱暴走する懸念があることも知られている。

【0008】

この熱暴走を防ぐためのひとつの方法は、特許文献１に示されるように、水素と反応しないダミー顆粒を使用する方法があるが、この方法では水素除去の速度を低下させることになる。

【0009】

本発明は、水素除去の速度を低下させることなく、かつ、熱暴走を回避しながら水素を安全に除去することが可能な水素除去装置、原子力発電プラント、および水素除去方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、水素含有ガスから水素を除去する水素除去装置であって、前記水素含有ガスが通過する筐体内に２種以上の金属酸化物からなる顆粒が充填されており、前記金属酸化物は、少なくとも一つは前記水素との反応が発熱反応のものであり、かつ少なくとも一つは前記水素との反応が吸熱反応のものであることを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、水素除去の速度を低下させることなく、かつ、熱暴走を回避しながら水素を安全に除去することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施例１の水素除去装置の概略図。

【図2】本発明の実施例２の水素除去装置の概略図。

【図3】本発明の実施例２の水素除去装置の他の概略図。

【図4】本発明の実施例３の水素除去装置の概略図。

【図5】本発明の実施例４の水素除去装置の概略図。

【図6】本発明の実施例４の水素除去装置の他の概略図。

【図7】本発明の実施例５の水素除去装置の概略図。

【図8】本発明の実施例６の水素除去装置に充填される顆粒の概略図。

【図9】本発明の実施例７の水素除去装置を設置した原子力発電プラントのプラント構成例を示す図。

【図10】実施例７の水素除去装置を設置した原子力発電プラントのプラント構成の他の例を示す図。

【図11】実施例７の水素除去装置を設置した原子力発電プラントのプラント構成の更に他の例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下に本発明の水素除去装置、原子力発電プラント、および水素除去方法の実施例を、図面を用いて説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一、または類似の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。

【0014】

＜実施例１＞
本発明の水素除去装置、および水素除去方法の実施例１について図１を用いて説明する。

【0015】

最初に、水素除去装置の全体構成について図１を用いて説明する。図１は実施例１の水素除去装置の概略図である。

【0016】

本実施例１の水素除去装置５１は、図１に示すように、酸化銅顆粒１と酸化鉄顆粒２の混合物１０が、メッシュ４とメッシュ５により端部が構成される円筒状の筐体３に充填されたものである。この水素除去装置５１では、水素を含むガス（以下では、水素含有ガスと記載する）がメッシュ４から注入され、水素除去処理済のガスがメッシュ５から排出されるものである。

【0017】

水素含有ガスが通過する筐体３内に充填されている混合物１０は、２種以上の金属酸化物からなる顆粒１，２として、例えば、酸化銅顆粒１と酸化鉄顆粒２とが選択される。

【0018】

次いで、実施例の水素除去装置５１の作用を説明する。

【0019】

酸化銅顆粒１を構成する酸化銅と水素が反応するのは温度が２３０℃を超えたときであり、酸化鉄顆粒２を構成する酸化鉄が水素と反応するのは温度が３００℃を超えたときである。

【0020】

そのため、本実施例の水素除去装置５１に水素含有ガスを透過させたときの作用は温度によって異なったものとなる。温度領域ごとに水素除去装置５１の作用を説明する。

【0021】

水素除去装置５１の筐体３内に流入する水素含有ガスの温度が２３０℃未満のときでは、酸化銅および酸化鉄のいずれも水素と反応せず、水素含有ガスから水素は除去されない。

【0022】

流入する水素含有ガスの温度が２３０℃を超え、かつ３００℃未満の場合は、水素と酸化銅とが発熱反応を起こし、温度上昇を伴って水素が除去され、処理済ガスとして排出される。この場合の反応は、
２ＣｕＯ＋Ｈ_２→Ｃｕ_２Ｏ＋Ｈ_２Ｏ （１ａ）
Ｃｕ_２Ｏ＋Ｈ_２→２Ｃｕ＋Ｈ_２Ｏ （１ｂ）
または、これら反応（１ａ）と反応（１ｂ）とが連続に起こるものである。反応（１ａ）と反応（１ｂ）が連続して起こった場合の反応をまとめて表すと、
ＣｕＯ＋Ｈ_２→Ｃｕ＋Ｈ_２Ｏ （１）
となる。

【0023】

なお、酸化銅顆粒１を構成する反応前の酸化銅はＣｕＯであってもＣｕ_２Ｏであっても水素の除去は可能である。ただし、反応前の酸化銅をＣｕＯとすると、反応（１ａ）によりＣｕＯからＣｕ_２Ｏが生成し、さらに、反応（１ｂ）によりＣｕ_２ＯからＣｕが生成する場合に、最も多くの水素の除去が期待できる。

【0024】

次いで、反応（１ａ）または反応（１ｂ）の発熱により水素含有ガスの温度が３００℃を超えた場合、若しくは、メッシュ４から流入する水素含有ガス自体の温度が３００℃を超えた場合について説明する。

【0025】

水素含有ガスの温度が３００℃を超えると、発熱反応（１ａ）や発熱反応（１ｂ）とともに、水素と酸化鉄との吸熱反応が始まる。この場合の酸化鉄と水素の反応は、
３Ｆｅ_２Ｏ_３＋Ｈ_２→２Ｆｅ_３Ｏ_４＋Ｈ_２Ｏ （２ａ）
Ｆｅ_３Ｏ_４＋Ｈ_２→３ＦｅＯ＋Ｈ_２Ｏ （２ｂ）
ＦｅＯ＋Ｈ_２→Ｆｅ＋Ｈ_２Ｏ （２ｃ）
または、これら３種の反応のふたつ以上が連続に起こるものである。反応（２ａ）、反応（２ｂ）および反応（２ｃ）が連続して起こった場合の反応をまとめて表すと、
Ｆ_２Ｏ_３＋３Ｈ_２→２Ｆｅ＋３Ｈ_２Ｏ （２）
となる。

【0026】

上述の発熱反応（１ａ）や反応（１ｂ）と吸熱反応（２ａ）、反応（２ｂ）反応（２ｃ）が同時に進み、熱の発生と吸収が相殺しながら水素が除去され、処理済ガスとして排出される。

【0027】

なお、酸化鉄顆粒２を構成する反応前の酸化鉄はＦｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４、ＦｅＯのいずれであっても水素の除去は可能である。ただし、反応前の酸化鉄をＦｅ_２Ｏ_３とし、反応（２ａ）によりＦｅ_２Ｏ_３からＦｅ_３Ｏ_４が生成し、反応（２ｂ）によりＦｅ_３Ｏ_４からＦｅＯが生成し、反応（２ｃ）によりＦｅＯからＦｅが生成する場合に、最も多くの水素が除去できる。

【0028】

次いで、酸化銅顆粒１と酸化鉄顆粒２との筐体３への比率などについて説明する。

【0029】

本実施例では、酸化銅の反応の発熱と酸化鉄の反応の吸熱を相殺させることにより熱暴走を回避するため、発熱反応となる酸化銅顆粒１と、吸熱反応となる酸化鉄顆粒２との筐体３への充填比率を、反応における発熱量と吸熱量とが等しくなるように決定することが望ましい。

【0030】

以下では、酸化銅と酸化鉄の両方が全て反応するとして、発熱量と吸熱量が相殺するときの酸化銅と酸化鉄の比率を求める。

【0031】

【表1】

【0032】

ここで、表１に示すように、酸化銅の反応（１）の発熱量は８５．８ｋＪ／ｍｏｌ、酸化鉄の反応（２）の吸熱量は－１００ｋｃａｌ／ｍｏｌである。そのため、発熱量と吸熱量を厳密に相殺させるには、酸化銅と酸化鉄とのモル比は１００：８５．８とすればよいことになる。

【0033】

ここで、酸化銅と酸化鉄とのモル比を質量比に換算する。酸化銅のモル質量が７９．５５ｇ／ｍｏｌ、酸化鉄のモル質量が１５９．６９ｇ／ｍｏｌなので、発熱と吸熱が相殺するときの酸化銅と酸化鉄との質量比は、１００×７９．５５：８５．８×１５９．６９＝０．５８：１である。つまり、発熱と吸熱とが釣り合うときの酸化銅の質量は酸化鉄の質量の０．５８倍のときである。

【0034】

酸化銅と酸化鉄との両方が全て反応するとして、酸化銅の質量は酸化鉄の質量の０．５８倍と算出した。しかし、温度が２３０℃を超え３００℃未満のとき酸化鉄は反応せず酸化銅だけが反応するため、酸化銅の消耗は酸化鉄より進行が速いことが考えられる。そのため、酸化銅の質量は酸化鉄の質量の０．５８倍以上であることが望ましい。

【0035】

なお、顆粒１，２は、いずれか一方は水素との反応が発熱反応のものであり、もう一方は水素との反応が吸熱反応のものであればよく、酸化銅と酸化鉄との組み合わせに限定されない。例えば、表１に示すように、発熱反応となる金属酸化物は、酸化銅の替わりに、あるいは加えて酸化鉛を選択することができる。また、吸熱反応となる金属酸化物は、酸化鉄に変えて、あるいは加えて酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化スズのうちの１つ以上を含むことができる。

【0036】

いずれの元素からなる金属酸化物を用いる場合にも、発熱反応となる顆粒と吸熱反応となる顆粒との筐体３への充填比率は、反応における発熱量と吸熱量とが等しくなるように決定することが望ましく、初滅量と吸熱量とが等しくなる要素のモル比を調節することが望ましい。

【0037】

また、充填する顆粒は、酸化銅顆粒１であれ、酸化鉄顆粒２であれ、顆粒を小さくすると、顆粒の表面積が増加し反応は速くなる。そのため、本実施例の酸化銅顆粒１の平均粒径は３０ｍｍ以下とした。なお、本明細書において、「平均粒子径」は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値５０％での粒径を意味する。

【0038】

また、水素との反応速度は酸化鉄より酸化銅のほうが高いため、酸化銅顆粒１と酸化鉄顆粒２の直径が同じ場合は発熱量が吸熱量を大きく上回る恐れがあり、温度の上昇が想定より早まる恐れがある。これを回避するために、第１の実施例では、酸化鉄顆粒２の直径を酸化銅顆粒１の直径の１／５以下、望ましくは、１／１０以下とすることが望ましい。

【0039】

このように、筐体３に充填する顆粒１，２の平均粒径は反応速度の遅いほうを小さくすることが望ましい。また、顆粒１，２の平均粒径はバラツキが小さいほうが充填効率の観点で望ましい。

【0040】

なお、酸化鉄顆粒２の直径を酸化銅顆粒１の直径の１／５以下にすることには、酸化銅と酸化鉄の反応速度を釣り合わせる効果があることを述べたが、副次的な効果もある。副次的な効果は、大きな顆粒１どうしの隙間に小さな顆粒２が入り、同一体積の筐体３内により多くの金属酸化物顆粒を充填できることである。つまり、水素除去装置５１の体積を増やすことなく、水素の除去速度を向上することができる。

【0041】

次に、本実施例の効果について説明する。

【0042】

上述した本発明の実施例１の水素含有ガスから水素を除去する水素除去装置５１は、水素含有ガスが通過する筐体３内に２種以上の金属酸化物からなる顆粒１，２が充填されており、金属酸化物は、少なくとも一つは水素との反応が発熱反応のものであり、かつ少なくとも一つは水素との反応が吸熱反応のものである。

【0043】

これにより、反応による吸熱と発熱との一方に偏らずに済み、好適には発熱と吸熱とが釣り合うため、温度上昇に起因した熱暴走を回避して安定して高い効率で水素含有ガスから水素を除去することができる。

【0044】

また、発熱反応となる金属酸化物と、吸熱反応となる金属酸化物との充填比率を、反応における発熱量と吸熱量とが等しくなるように決定するため、より確実に熱暴走を回避して、安定した水素除去を実現することができる。

【0045】

＜実施例２＞
本発明の実施例２の水素除去装置、および水素除去方法について図２および図３を用いて説明する。図２および図３は本実施例２の水素除去装置の概略図である。

【0046】

本実施例２では、図２に示すように、水素除去装置５１Ａの筐体３Ａに仕切り３Ａ１が設けられており、その内側が２つの領域に分けられている。また、筐体３Ａは、メッシュ５側の端部が閉じられている。

【0047】

そのうち一方の領域には酸化銅顆粒比率の高い混合物１１が充填されており、酸化銅の顆粒１，２の充填比率が酸化鉄の充填比率より高い第１領域が形成される。

【0048】

また、もう一方の領域には酸化鉄顆粒比率の高い混合物１２が充填されており、酸化鉄の顆粒１，２の充填比率が酸化銅の充填比率より高い第２領域が形成される。

【0049】

本実施例の水素除去装置５１Ａにおける水素含有ガスの流入経路は、酸化銅顆粒比率の高い混合物１１、酸化鉄顆粒比率の高い混合物１２の順に通過する。

【0050】

この場合、水素含有ガスの温度が２３０℃以上のとき、第１領域の酸化銅顆粒比率の高い混合物１１の部分で水素と酸化銅とが反応し、水素が除去される。この際、第１領域での水素と酸化銅の発熱反応により、水素含有ガスの温度が３００℃を超えると、第２領域の酸化鉄顆粒比率の高い混合物１２の部分に流入して水素と酸化鉄とが反応し、吸熱を伴い、水素が除去される。

【0051】

このように、水素除去装置５１Ａに流入する水素含有ガスの温度が３００℃未満であっても、第１領域の主体である酸化銅で加熱されることにより流入ガスの温度上昇が期待でき、３００℃以上になれば、第１領域に加えて第２領域でも酸化銅と酸化鉄の両方が水素と反応するため、より多くの水素が除去可能である。つまり、本実施例は実施例１の水素除去装置５１に比べて低温の水素含有ガスの処理により適している。

【0052】

ここで、筐体３Ａの仕切り３Ａ１は、水素含有ガスの流れの方向が酸化銅顆粒比率の高い混合物１１で上昇、酸化鉄顆粒比率の高い混合物１２で下降となるように配置される。この流れの方向は自然対流を有効に活用したものである。つまり、酸化銅顆粒比率の高い混合物１１の部分では発熱反応により水素含有ガスが加熱されて浮上し、酸化鉄比率の高い混合物１２の部分では、吸熱反応により水素含有ガスが冷却されて沈降することを利用している。

【0053】

ただし、水素含有ガスが、先に酸化銅顆粒比率の高い混合物１１を通過し、後に酸化鉄顆粒比率の高い混合物１２を通過すればよく、自然対流を利用しなくても、図２に示す形態に比べると若干の水素処理能力の低下はあるものの、従来に比べて水素を高い効率で安定して除去することができる。

【0054】

また、図３に示すように、水素除去装置５１Ｂの筐体３Ｂに仕切り３Ｂ１が設けられており、筐体３Ｂのメッシュ４側の端部が閉じられているものとすることができる。

【0055】

この水素除去装置５１Ｂでは、水素含有ガスの流入経路は、図２に示した水素除去装置５１Ａとは逆に、酸化鉄顆粒比率の高い混合物１２、酸化銅顆粒比率の高い混合物１１の順に通過する、という２つの領域に分けられているものとしてもよい。

【0056】

この場合、水素含有ガスの温度が３００℃を超えるとき、酸化鉄粒比率の高い混合物１２の第２領域の部分で水素と酸化鉄とが反応して水素が除去される。また、第２領域での吸熱反応によって酸化銅顆粒比率の高い混合物１１の入り口での水素含有ガスの温度が３００℃以下となっても、酸化銅顆粒比率の高い混合物１１の部分に流入し水素と酸化銅とが反応し水素が除去される。このため。酸化鉄と酸化銅の両方が水素と反応するため、より多くの水素が除去可能である。

【0057】

また、図３に示す水素除去装置５１Ｂでは、水素含有ガスは、筐体３Ｂに流入した直後に酸化鉄と水素との反応により冷却されるため、高温の水素含有ガスの処理により適した構造となっている。

【0058】

図３に示す水素除去装置５１Ｂでは、水素含有ガスの流れの方向が、酸化鉄顆粒比率の高い混合物１２で下降、酸化銅顆粒比率の高い混合物１１で上昇となっている。この流れの方向は自然対流を有効に活用したものである。つまり、酸化鉄比率の高い混合物１２の部分では、吸熱反応により水素含有ガスが冷却されて沈降し、酸化銅顆粒比率の高い混合物１１の部分では発熱反応により水素含有ガスが加熱されて浮上することを利用している。

【0059】

ただし、水素含有ガスが、酸化鉄顆粒比率の高い混合物１２、酸化銅顆粒比率の高い混合物１１の順に通過すればよく、自然対流を利用しなくても、図３に示す形態に比べると若干の水素処理能力の低下はあるものの、従来に比べると高い効率で安定した水素の除去が可能である。

【0060】

なお、図２に示す水素除去装置５１Ａ、図３に示す水素除去装置５１Ｂのいずれにおいても、第１領域の酸化銅顆粒比率の高い混合物１１は酸化銅のみであってもよいし、第２領域の酸化鉄顆粒比率の高い混合物１２は酸化鉄のみであってもよい。

【0061】

また、本実施例においても、顆粒１，２は、いずれか一方は水素との反応が発熱反応のものであり、もう一方は水素との反応が吸熱反応のものであればよく、酸化銅と酸化鉄との組み合わせに限定されない。

【0062】

その他の構成・動作は前述した実施例１の水素除去装置５１、および水素除去方法と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

【0063】

本発明の実施例２の水素除去装置５１Ａ，５１Ｂ、および水素除去方法においても、前述した実施例１の水素除去装置５１、および水素除去方法とほぼ同様な効果が得られる。

【0064】

また、筐体３Ａ，３Ｂは、酸化銅の顆粒１，２の充填比率が酸化鉄の充填比率より高い第１領域と、酸化鉄の顆粒１，２の充填比率が酸化銅の充填比率より高い第２領域と、を有することにより、一律の水素除去ではなく、流入する水素ガスの状態に応じた水素除去が可能となる。

【0065】

＜実施例３＞
本発明の実施例３の水素除去装置、および水素除去方法について図４を用いて説明する。図４は実施例３の水素除去装置の概略図である。

【0066】

実施例３では、図４に示すように、実施例２の水素除去装置５１Ａ、５１Ｂと同様に水素除去装置５１Ｃの筐体３Ｃを仕切り３Ｃ１により内側の空間が２分割されており、第１領域となる空間３Ｃ２側に酸化銅顆粒比率の高い混合物１１を、第２領域となる空間３Ｃ３内に酸化鉄顆粒比率の高い混合物１２が充填されている。

【0067】

また、筐体３Ｃはメッシュ４，５側のいずれの端部も閉じられたボックス形状である。また、空間３Ｃ２の鉛直上方側の配管２７Ｃ１や鉛直下方側の配管２７Ｃ４、空間３Ｃ３の鉛直上方側の配管２７Ｃ３や鉛直下方側の配管２７Ｃ６がそれぞれ接続されている。更に、配管２７Ｃ１と配管２７Ｃ３とを接続する配管２７Ｃ２、配管２７Ｃ４と配管２７Ｃ６とを接続する配管２７Ｃ５が接続されている。

【0068】

さらに、これらの配管２７Ｃ１，２７Ｃ２，２７Ｃ３，２７Ｃ４，２７Ｃ５，２７Ｃ６の各々のライン上にバルブ２１，２２，２３，２４，２５，２６がそれぞれ設けられている。

【0069】

その上で、６つのバルブ２１，２２，２３，２４，２５，２６のうち、バルブ２４，２２，２６を開く状態は、図２に示す水素除去装置５１Ａと等価の構成であり、低温の水素含有ガスからの水素除去に適した構成となる。

【0070】

また、６つのバルブ２１，２２，２３，２４，２５，２６のうち、バルブ２１，２５，２３を開く状態は、図３に示す水素除去装置５１Ｂと等価の構成であり、高温の水素含有ガスからの水素の除去により適した構成とできる。

【0071】

６つのバルブ２１，２２，２３，２４，２５，２６の開閉制御は、オペレターによるマニュアルでの開閉、バルブ２４，２２，２６またはバルブ２１，２５，２３の一括の開閉制御でもよく、制御装置などによる開閉制御としてもよい。

【0072】

その他の構成・動作は前述した実施例１の水素除去装置５１、および水素除去方法と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

【0073】

本発明の実施例３の水素除去装置５１Ｃ、および水素除去方法においても、前述した実施例１の水素除去装置５１、および水素除去方法とほぼ同様な効果が得られる。

【0074】

また、第１領域と第２領域とのいずれを水素含有ガスの流れの上流とするかを選択するバルブ２１，２２，２３，２４，２５，２６を更に備えたことにより、発熱優位の領域と吸熱優位の領域のいずれを上流とするかを、水素含有ガスの温度によって適宜切り替えられ、様々な状況に対応可能となるため、更に安定した水素除去を実現することができる。

【0075】

なお、本実施例においても、第１領域の酸化銅顆粒比率の高い混合物１１は酸化銅のみ（すなわち発熱反応のみ）であってもよいし、第２領域の酸化鉄顆粒比率の高い混合物１２は酸化鉄のみ（すなわち吸熱反応のみ）の顆粒のみであってもよい。

【0076】

また、顆粒１，２は、いずれか一方は水素との反応が発熱反応のものであり、もう一方は水素との反応が吸熱反応のものであればよく、酸化銅と酸化鉄との組み合わせに限定されない。

【0077】

＜実施例４＞
本発明の実施例４の水素除去装置、および水素除去方法について図５および図６を用いて説明する。図５および図６は、実施例４の水素除去装置の概略図である。

【0078】

図５に示すように、本実施例の水素除去装置５１Ｄは、ボックス形状の筐体３Ｄの水素含有ガスの流れ方向の下流側の配管２７Ｄ２に送気装置３１が設けられている。上流側の配管２７Ｄ１には送気装置は設けられない。

【0079】

または、図６に示すように、水素除去装置５１Ｅは、ボックス形状の筐体３Ｅの水素含有ガスの流れ方向の上流側の配管２７Ｅ１に送気装置３１が設けられている。下流側の配管２７Ｅ２には送気装置は設けられない。

【0080】

更には、図示は省略するが、筐体の上流側および下流側の配管のいずれにも送気装置３１を設けることができる。

【0081】

送気装置３１は、ファンとそれを駆動するモータなどから構成されるものとできるが、流れを作る様々な装置を用いることができ、特に限定されない。

【0082】

その他の構成・動作は前述した実施例１の水素除去装置５１、および水素除去方法と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

【0083】

本発明の実施例４の水素除去装置５１Ｄ，５１Ｅ、および水素除去方法においても、前述した実施例１の水素除去装置５１、および水素除去方法とほぼ同様な効果が得られる。

【0084】

また、筐体３の水素含有ガスの流れ方向の上流側と下流側との少なくともいずれか一方に配置された送気装置３１を更に備えたことにより、水素除去装置５１Ｄ，５１Ｅを流れるガスの量が増加するので、水素除去量が増加し、より効率的な水素除去を実現することができる。

【0085】

なお、本実施例の水素除去装置５１Ｄ，５１Ｅ等においても、筐体３内に充填される顆粒１，２は、いずれか一方は水素との反応が発熱反応のものであり、もう一方は水素との反応が吸熱反応のものであればよい。また、実施例２のように筐体３内を仕切りで分割し、吸熱優位の領域と発熱優位の領域とに分けてもよい。更には、実施例３の配管２７Ｃ１，２７Ｃ３，２７Ｃ４，２７Ｃ６の上流側や下流側のうち少なくともいずれか一方に本実施例のように送気装置を設けることできる。

【0086】

＜実施例５＞
本発明の実施例５の水素除去装置、および水素除去方法について図７を用いて説明する。図７は実施例５の水素除去装置の概略図である。

【0087】

図５に示すように、本実施例の水素除去装置５１Ｆでは、図７に示すように、水素から生成した水により水素含有ガスの流れが妨げられることを抑制するために、筐体３Ｆには、その内側の水を排出するドレイン用配管３２が設けられている。

【0088】

その他の構成・動作は前述した実施例１の水素除去装置５１、および水素除去方法と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

【0089】

本発明の実施例５の水素除去装置５１Ｆ、および水素除去方法においても、前述した実施例１の水素除去装置５１、および水素除去方法とほぼ同様な効果が得られる。

【0090】

また、筐体３内の水を排出するドレイン用配管３２を更に備えたことにより、ドレイン用配管３２により液体の水が排出されるため、液体の水によるガス流れの低下を防ぐことができ、除去が進んでも水素除去効率を高く保てるとともに、冷却された際に結露が生じることを抑制することができる。

【0091】

なお、本実施例のドレイン用配管３２の構成を上述の実施例１乃至実施例４のいずれかに記載の水素除去装置５１，５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅのいずれかに適用することができる。

【0092】

＜実施例６＞
本発明の実施例６の水素除去装置、および水素除去方法について図８を用いて説明する。図８は実施例６の水素除去装置に充填される顆粒の概略図である。

【0093】

本実施例の水素除去装置は、実施例１乃至実施例５の水素除去装置の筐体内に充填する金属酸化物の顆粒のうち少なくとも一方の形状を図８に示すように扁平形状としたものである。この図８において一点鎖線は扁平粒子の対称軸を示す。

【0094】

ここで、経験的には、扁平形状の短径を長径の３分の１以下とすると、顆粒１，２間の隙間の増加の効果は大きくなる。

【0095】

その他の構成・動作は前述した実施例１等と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

【0096】

本発明の実施例６の水素除去装置、および水素除去方法においても、前述した実施例１の水素除去装置５１、および水素除去方法とほぼ同様な効果が得られる。

【0097】

また、酸化銅または酸化鉄のうち少なくとも一方が、短径が長径の３分１以下の扁平形状であることにより、顆粒の表面積が増加することにより、水素除去反応が加速する。また、顆粒間の隙間が増加することにより、ガスが水素除去装置を透過する速度が増加する。これらの複合の効果により、反応の加速と透過速度の増加により水素除去速度がより向上する、との効果が得られる。

【0098】

＜実施例７＞
本発明の実施例７の水素除去装置を備えた原子力発電プラントについて図９乃至図１１を用いて説明する。図９乃至図１１は実施例７の格納容器内もしくは外に水素除去装置が設置された原子力発電プラントのプラント構成例を示す図である。

【0099】

本実施例は、上述の実施例１乃至実施例６の水素除去装置５１，５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆのいずれか１つ以上を備えた原子力発電プラントである。これにより原子力発電プラントの安全性を高めることができる。以下では、水素除去装置５１を適用した原子力発電プラントの構成例を示すが、水素除去装置５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆ等であってもよい。なお、本明細書においては、これ以降、原子炉格納容器を格納容器、原子炉圧力容器を圧力容器と記載する。

【0100】

原子力発電プラントの一例を図９に示す。図９に示す原子力発電プラント１００は、水素除去装置５１を格納容器４１内に設置した形態である。この場合、圧力容器４２内の水素含有ガスは、主蒸気管４３とバルブ６２を経て水素除去装置５１に至り、水素が除去される。

【0101】

水素処理済のガスはバルブ６３を経て格納容器４１内に排出されてもよいし、バルブ６４とサプレッションプール６１を経て格納容器４１内に排出されてもよい。

【0102】

図１０に示す原子力発電プラント１００Ａは、格納容器４１の外部に水素除去装置５１を設置した形態である。格納容器４１内の水素含有ガスの温度は３００℃以下であることから、低温用の実施例２の水素除去装置５１Ａが最も望ましいが、他の実施例の水素除去装置も好適に適用可能である。

【0103】

この場合、格納容器４１内の水素含有ガスは、バルブ７２を経て水素除去装置５１に至り、水素が除去される。水素処理済のガスはバルブ７３を経て格納容器４１内に排出されてもよいし、バルブ７４を経てサプレッションプール６１の存在する空間に排出されてもよい。

【0104】

また、格納容器４１内の水素含有ガスの温度が２３０℃以下の時には、熱源７１を利用して水素含有ガスを予め加熱してもよい。このときの熱源の材料は、水蒸気と反応して発熱するものが望ましく、一例を挙げると酸化カルシウムが望ましい。

【0105】

図１１に示す原子力発電プラント１００Ｂは、図９、あるいは図１０に示した沸騰水型原子炉ではなく、加圧水型原子炉である。加圧水型原子炉では、図１１に示すように、圧力容器４２内の水素含有ガスは、一次冷却系８４とバルブ８５とを経て水素除去装置５１に至り、水素が除去され、処理済ガスは格納容器４１内に排出される。

【0106】

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

【0107】

また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

【符号の説明】

【0108】

１…酸化銅顆粒
２…酸化鉄顆粒
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ，３Ｆ…筐体
３Ａ１，３Ｂ１，３Ｃ１…仕切り
３Ｃ２，３Ｃ３…空間
４，５…メッシュ
１０…混合物
１１…酸化銅顆粒比率の高い混合物（第１領域）
１２…酸化鉄顆粒比率の高い混合物（第２領域）
２１，２２，２３，２４，２５，２６…バルブ
２７Ｃ１，２７Ｃ２，２７Ｃ３，２７Ｃ４，２７Ｃ５，２７Ｃ６，２７Ｄ１，２７Ｄ２、２７Ｅ１，２７Ｅ２…配管
３１…送気装置
３２…ドレイン用配管
４１…格納容器
４２…圧力容器
４３…主蒸気管
５１，５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆ…水素除去装置
６１…サプレッションプール
６２，６３，６４，７２，７３，７４…バルブ
７１…熱源
８１…加圧器
８２…蒸気発生器
８３…再循環ポンプ
８４…一次冷却系
８５…バルブ
１００，１００Ａ，１００Ｂ…原子力発電プラント

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】