特開2024-1895水素製造装置及び方法、電力水素併産システム並びに二酸化炭素を分解する方法
(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】P2024001895
(43)【公開日】2024-01-10
(54)【発明の名称】水素製造装置及び方法、電力水素併産システム並びに二酸化炭素を分解する方法
(51)【国際特許分類】
C01B 3/16 20060101AFI20231227BHJP
B01J 23/745 20060101ALI20231227BHJP
C01B 32/40 20170101ALI20231227BHJP
G21B 1/13 20060101ALI20231227BHJP
G21H 5/00 20060101ALI20231227BHJP
G21D 9/00 20060101ALI20231227BHJP
G21B 1/11 20060101ALI20231227BHJP
G21D 5/04 20060101ALI20231227BHJP
C01B 13/02 20060101ALI20231227BHJP
G21C 15/28 20060101ALI20231227BHJP
【ＦＩ】
C01B3/16
B01J23/745 M
C01B32/40
G21B1/13
G21H5/00 C
G21D9/00
G21B1/11 Z
G21D5/04
C01B13/02 B
G21C15/28 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】32
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023151993
(22)【出願日】2023-09-20
(62)【分割の表示】P 2022059912の分割
【原出願日】2022-03-31
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 令和４年３月１８日に「ＮＩＦＳ研究会」、「原型炉に向けた炉内機器・材料・システム統合研究会」並びに「横断的研究のためのＣＯＥ共同研究プラットフォーム・Ｏｒｏｓｈｈｉ－２の利用検討会」の共同研究会によるＺＯＯＭ会議にて発表（ｈｔｔｐｓ：／／ｋｙｏｔｏ－ｕ－ｅｄｕ．ｚｏｏｍ．ｕｓ／ｊ／８９８４１３７９７９８？ｐｗｄ＝ｄ０ＮＰＹ２５ｚａＷ９ｋＮＴＺＶＺ０ｘＹｄＵｔｕｃｍＦＰＱＴ０９）
(71)【出願人】
【識別番号】519439232
【氏名又は名称】石山 新太郎
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(72)【発明者】
【氏名】石山 新太郎
(57)【要約】
【課題】高い効率でＣＯ２分解反応を促進することにより大量の水素を製造する。
【解決手段】 水素製造装置は、超臨界ＣＯ２が導入される超臨界ＣＯ２分解部２であって、熱源５からの熱及び放射線源６からの放射線を用いて超臨界ＣＯ２をＣＯ及び酸素に分解するためのＣＯ２熱分解反応を促進する、前記超臨界ＣＯ２ガス分解部２と、前記超臨界ＣＯ２分解部２で分解された一酸化炭素に水を加え、水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、Ｈ２及びＣＯ２を生成する、水性ガスシフト反応部３と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】 水素製造装置は、超臨界ＣＯ２が導入される超臨界ＣＯ２分解部２であって、熱源５からの熱及び放射線源６からの放射線を用いて超臨界ＣＯ２をＣＯ及び酸素に分解するためのＣＯ２熱分解反応を促進する、前記超臨界ＣＯ２ガス分解部２と、前記超臨界ＣＯ２分解部２で分解された一酸化炭素に水を加え、水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、Ｈ２及びＣＯ２を生成する、水性ガスシフト反応部３と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水素製造装置であって、
熱、又は、熱及び放射線を用いて、超臨界ＣＯ２をＣＯ及びＯ２に分解するためのＣＯ２熱分解反応を引き起こす、超臨界ＣＯ２分解部と、
前記超臨界ＣＯ２分解部で分解されたＣＯとＨ２Ｏとの間で水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、Ｈ２及びＣＯ２を生成する、水性ガスシフト反応部と、
を備える、水素製造装置。
熱、又は、熱及び放射線を用いて、超臨界ＣＯ２をＣＯ及びＯ２に分解するためのＣＯ２熱分解反応を引き起こす、超臨界ＣＯ２分解部と、
前記超臨界ＣＯ２分解部で分解されたＣＯとＨ２Ｏとの間で水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、Ｈ２及びＣＯ２を生成する、水性ガスシフト反応部と、
を備える、水素製造装置。
【請求項2】
前記超臨界ＣＯ２分解部は、外部の熱源からの熱、又は、外部の熱源からの熱及び外部の放射線源からの放射線を受け取るように配置された、超臨界ＣＯ２が導入されるＣＯ２配管を備える、請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項3】
前記水性ガスシフト反応部により生成されたＣＯ２を超臨界化した状態で前記超臨界ＣＯ２分解部に戻す超臨界ＣＯ２循環経路をさらに備える、請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項4】
前記ＣＯ２配管は、外部の熱源からの熱及び外部の放射線源からの放射線を受け取るように配置されており、
前記外部の熱源は、２００℃から８００℃の温度の熱源である、請求項２又は３に記載の水素製造装置。
前記外部の熱源は、２００℃から８００℃の温度の熱源である、請求項２又は３に記載の水素製造装置。
【請求項5】
前記ＣＯ２配管は、外部の熱源からの熱を受け取るように配置されており、
前記外部の熱源は、１１００℃以上の高温度域熱源である、請求項２又は３に記載の水素製造装置。
前記外部の熱源は、１１００℃以上の高温度域熱源である、請求項２又は３に記載の水素製造装置。
【請求項6】
前記外部の熱源及び外部の放射線源は、高レベル放射性廃棄物を収納した収納管である、請求項２から４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項7】
前記ＣＯ２配管は、前記収納管を取り囲むように配置された配管である、請求項６に記載の水素製造装置。
【請求項8】
前記外部の熱源は加熱ヒーターであり、前記外部の放射線源は６０ＣＯ線源である、請求項２から４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項9】
前記外部の熱源及び外部の放射線源は原子力発電炉である、請求項２から４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項10】
前記原子力発電炉は、該原子力発電炉の炉心で発生した熱を伝達するための溶融塩が循環する溶融塩循環経路を備え、前記ＣＯ２配管は、前記溶融塩循環経路内に配置される、請求項９に記載の水素製造装置。
【請求項11】
外部の熱源、又は、前記外部の熱源及び外部の放射線源は、核融合発電炉である、請求項２から５のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項12】
前記ＣＯ２配管は、前記核融合発電炉のブランケットを冷却する配管として構成される、請求項１１に記載の水素製造装置。
【請求項13】
前記ブランケットは放射線・中性子増倍材を備える、請求項１２に記載の水素製造装置。
【請求項14】
前記ＣＯ２配管は、前記核融合発電炉のダイバータを冷却する配管として構成される、請求項１１に記載の水素製造装置。
【請求項15】
前記ダイバータは、複数のダイバータカセットから構成される、請求項１４に記載の水素製造装置。
【請求項16】
前記ダイバータカセットは、前記核融合発電炉の炉心プラズマから放射される熱を受け取るように配置されたタングステンのプレートと、該プレートの裏面側に連結された前記ＣＯ２配管と、を備える、請求項１５に記載の水素製造装置。
【請求項17】
前記プレートの裏面側に連結された前記ＣＯ２配管は、複数の配管から構成される、請求項１６に記載の水素製造装置。
【請求項18】
前記ＣＯ２配管は、前記ダイバータに入力される超臨界ＣＯ２の入口配管と、前記ダイバータから出力されたガスの出口配管と、前記入口配管と前記出口配管との間で熱交換を行う熱交換器とを備える、請求項１４から１７のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項19】
前記ＣＯ２配管は、太陽光が集光される集熱部に配置される、請求項２，３，又は５に記載の水素製造装置。
【請求項20】
前記ＣＯ２配管は、マグマ層からの熱を受け取るように地下に配置される、請求項２，３，又は５に記載の水素製造装置。
【請求項21】
前記水性ガスシフト反応部は、触媒としてマグネタイト（Fe3O4）又は酸化第二鉄（Fe2O3）を備える、請求項請求項１から２０のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項22】
請求項１１から１８のいずれか１項に記載の水素製造装置と、
前記核融合発電炉と、
前記核融合発電炉によって加熱された超臨界ＣＯ２を循環させてガスタービンを回転させることによって発電する発電装置と、
を備える、電力水素併産システム。
前記核融合発電炉と、
前記核融合発電炉によって加熱された超臨界ＣＯ２を循環させてガスタービンを回転させることによって発電する発電装置と、
を備える、電力水素併産システム。
【請求項23】
水素製造装置と発電装置とを備えた電力水素併産システムであって、
前記水素製造装置は、
原子力発電炉からの熱及び放射線を受け取るように配置された、超臨界ＣＯ２が導入されるＣＯ２配管を有し、前記熱及び放射線により該ＣＯ２配管内の超臨界ＣＯ２をＣＯ及びＯ２に分解するためのＣＯ２熱分解反応を引き起こす、超臨界ＣＯ２分解部と、
前記超臨界ＣＯ２分解部で分解されたＣＯとＨ２Ｏとの間で水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、Ｈ２及びＣＯ２を生成する、水性ガスシフト反応部と、
前記水性ガスシフト反応部により生成されたＣＯ２を超臨界化した状態で前記超臨界ＣＯ２分解部に戻す超臨界ＣＯ２循環経路と、
を備え、
前記原子力発電炉は、該原子力発電炉の炉心で発生した熱を伝達するための溶融塩が循環する溶融塩循環経路を備え、前記ＣＯ２配管は、前記溶融塩循環経路内に配置され、
前記発電装置は、前記超臨界ＣＯ２循環経路に配置され、前記超臨界ＣＯ２循環経路を通って流れる超臨界ＣＯ２によりガスタービンを回転させることによって発電を行う、電力水素併産システム。
前記水素製造装置は、
原子力発電炉からの熱及び放射線を受け取るように配置された、超臨界ＣＯ２が導入されるＣＯ２配管を有し、前記熱及び放射線により該ＣＯ２配管内の超臨界ＣＯ２をＣＯ及びＯ２に分解するためのＣＯ２熱分解反応を引き起こす、超臨界ＣＯ２分解部と、
前記超臨界ＣＯ２分解部で分解されたＣＯとＨ２Ｏとの間で水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、Ｈ２及びＣＯ２を生成する、水性ガスシフト反応部と、
前記水性ガスシフト反応部により生成されたＣＯ２を超臨界化した状態で前記超臨界ＣＯ２分解部に戻す超臨界ＣＯ２循環経路と、
を備え、
前記原子力発電炉は、該原子力発電炉の炉心で発生した熱を伝達するための溶融塩が循環する溶融塩循環経路を備え、前記ＣＯ２配管は、前記溶融塩循環経路内に配置され、
前記発電装置は、前記超臨界ＣＯ２循環経路に配置され、前記超臨界ＣＯ２循環経路を通って流れる超臨界ＣＯ２によりガスタービンを回転させることによって発電を行う、電力水素併産システム。
【請求項24】
水素製造装置と発電装置とを備えた電力水素併産システムであって、
前記水素製造装置は、
原子力発電炉からの熱及び放射線を受け取るように配置された、超臨界ＣＯ２が導入されるＣＯ２配管を有し、前記熱及び放射線により該ＣＯ２配管内の超臨界ＣＯ２をＣＯ及びＯ２に分解するためのＣＯ２熱分解反応を引き起こす、超臨界ＣＯ２分解部と、
前記超臨界ＣＯ２分解部で分解されたＣＯとＨ２Ｏとの間で水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、Ｈ２及びＣＯ２を生成する、水性ガスシフト反応部と、
を備え、
前記原子力発電炉は、該原子力発電炉の炉心で発生した熱を伝達するための溶融塩が循環する溶融塩循環経路を備え、前記ＣＯ２配管は、前記溶融塩循環経路内に配置され、
前記発電装置は、前記超臨界ＣＯ２分解部の前記ＣＯ２配管から排出された、ＣＯ、ＣＯ２及びＯ２によりガスタービンを回転させることによって発電を行い、
前記水性ガスシフト反応部は、前記発電装置の前記ガスタービンを回転させた前記ＣＯ、ＣＯ２及びＯ２のうちＣＯを前記水性ガスシフト反応に利用し、前記水性ガスシフト反応により生成されたＣＯ２は前記ＣＯ２配管に戻される、電力水素併産システム。
前記水素製造装置は、
原子力発電炉からの熱及び放射線を受け取るように配置された、超臨界ＣＯ２が導入されるＣＯ２配管を有し、前記熱及び放射線により該ＣＯ２配管内の超臨界ＣＯ２をＣＯ及びＯ２に分解するためのＣＯ２熱分解反応を引き起こす、超臨界ＣＯ２分解部と、
前記超臨界ＣＯ２分解部で分解されたＣＯとＨ２Ｏとの間で水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、Ｈ２及びＣＯ２を生成する、水性ガスシフト反応部と、
を備え、
前記原子力発電炉は、該原子力発電炉の炉心で発生した熱を伝達するための溶融塩が循環する溶融塩循環経路を備え、前記ＣＯ２配管は、前記溶融塩循環経路内に配置され、
前記発電装置は、前記超臨界ＣＯ２分解部の前記ＣＯ２配管から排出された、ＣＯ、ＣＯ２及びＯ２によりガスタービンを回転させることによって発電を行い、
前記水性ガスシフト反応部は、前記発電装置の前記ガスタービンを回転させた前記ＣＯ、ＣＯ２及びＯ２のうちＣＯを前記水性ガスシフト反応に利用し、前記水性ガスシフト反応により生成されたＣＯ２は前記ＣＯ２配管に戻される、電力水素併産システム。
【請求項25】
請求項１０に記載の水素製造装置と、
前記溶融塩循環経路に配置された超臨界ＣＯ２の第２のＣＯ２配管を備え、該第２のＣＯ２配管を流れる超臨界ＣＯ２によりガスタービンを回転させることによって発電を行う発電装置と、
を備える、電力水素併産システム。
前記溶融塩循環経路に配置された超臨界ＣＯ２の第２のＣＯ２配管を備え、該第２のＣＯ２配管を流れる超臨界ＣＯ２によりガスタービンを回転させることによって発電を行う発電装置と、
を備える、電力水素併産システム。
【請求項26】
前記第２のＣＯ２配管は、放射線を遮蔽する遮蔽ブランケットにより覆われている、請求項２５に記載の電力水素併産システム。
【請求項27】
請求項１９に記載の水素製造装置と、
前記集熱部の熱により加熱された超臨界ＣＯ２によりガスタービンを回転させることによって発電を行う発電装置と、
を備える、電力水素併産システム。
前記集熱部の熱により加熱された超臨界ＣＯ２によりガスタービンを回転させることによって発電を行う発電装置と、
を備える、電力水素併産システム。
【請求項28】
請求項２０に記載の水素製造装置と、
前記マグマ層の熱により加熱された超臨界ＣＯ２によりガスタービンを回転させることによって発電を行う発電装置と、
を備える、電力水素併産システム。
前記マグマ層の熱により加熱された超臨界ＣＯ２によりガスタービンを回転させることによって発電を行う発電装置と、
を備える、電力水素併産システム。
【請求項29】
水素製造方法であって、
超臨界ＣＯ２に、熱又は熱及び放射線を適用することによって該超臨界ＣＯ２をＣＯ及び酸素に分解し、
分解された一酸化炭素に水を加え、水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、Ｈ２及びＣＯ２を生成し、
生成されたＣＯ２を超臨界状態で前記分解工程に戻すことによりＣＯ２を循環させる、各工程を備える、水素製造方法。
超臨界ＣＯ２に、熱又は熱及び放射線を適用することによって該超臨界ＣＯ２をＣＯ及び酸素に分解し、
分解された一酸化炭素に水を加え、水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、Ｈ２及びＣＯ２を生成し、
生成されたＣＯ２を超臨界状態で前記分解工程に戻すことによりＣＯ２を循環させる、各工程を備える、水素製造方法。
【請求項30】
二酸化炭素を分解する方法であって、
超臨界ＣＯ２に、熱又は熱及び放射線を適用することによって該超臨界ＣＯ２をＣＯ及び酸素に分解する分解工程を備える、方法。
超臨界ＣＯ２に、熱又は熱及び放射線を適用することによって該超臨界ＣＯ２をＣＯ及び酸素に分解する分解工程を備える、方法。
【請求項31】
二酸化炭素を分解する方法であって、
放射線の照射下で、ＣＯ２を２５℃以上の温度に加熱すると共に７．３８ＭＰａ以上の圧力に加圧することによって前記ＣＯ２をＣＯ及び酸素に分解する分解工程を備える、方法。
放射線の照射下で、ＣＯ２を２５℃以上の温度に加熱すると共に７．３８ＭＰａ以上の圧力に加圧することによって前記ＣＯ２をＣＯ及び酸素に分解する分解工程を備える、方法。
【請求項32】
水素製造方法であって、
請求項３１に記載の方法の前記分解工程と、
前記分解工程により分解されたＣＯに水を加え、水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、Ｈ２及びＣＯ２を生成する水ガスシフト工程と、
を備える、水素製造方法。
請求項３１に記載の方法の前記分解工程と、
前記分解工程により分解されたＣＯに水を加え、水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、Ｈ２及びＣＯ２を生成する水ガスシフト工程と、
を備える、水素製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水素製造装置及び方法、電力水素併産システム並びに二酸化炭素を分解する方法に係り、より詳しくは、二酸化炭素を循環触媒とした放射線誘導による水原料から水素を製造する水素製造装置及び方法、電力水素併産システム並びに二酸化炭素を分解する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
石油・石炭等の炭素系化石燃料の利用により大気中に放出される二酸化炭素による地球温暖化問題は世界的問題である。そのため我が国では特にその対応策として代替エネルギー源として水素エネルギーの大規模利用が提案されている。しかしながら我が国において大量の水素製造のための既存の基幹技術・条件が整っていないため電気分解技術等で生産された水素は従前のエネルギー源に比べてコスト高となる。そのため海外で製造された大量の水素誘導体を国内輸送する方策などを進めているが、コスト変動や定期供給などの供給安定性に問題がある。
【0003】
そのため我が国の水素利用社会化において、今後製造水素の国内生産技術の確立と低コスト化が大きな課題となっている。例えば、水資源から二酸化炭素を利用した水素を製造する技術は、すでに下記(1)及び(2)の反応を組み合わせで可能であることが知られている（非特許文献１～３）。
(1) 1100℃の高温化で二酸化炭素を還元反応により一酸化炭素と酸素分子とに分解する。
(2) 一酸化炭素と水とから触媒を利用して水素を製造する（水性ガスシフト反応）
しかしながら上記(1)では、1100℃の高温度域を用いるため、大量の水素製造はコスト高となり、特殊用途以外では実用化されていない。この高温化の対応策として、放射線による中温度域での二酸化炭素の一酸化炭素分解反応もすでに周知されているが、その分解効率は0.1％程度であり、上記と同様に実用化の目途は立っていない。
(1) 1100℃の高温化で二酸化炭素を還元反応により一酸化炭素と酸素分子とに分解する。
(2) 一酸化炭素と水とから触媒を利用して水素を製造する（水性ガスシフト反応）
しかしながら上記(1)では、1100℃の高温度域を用いるため、大量の水素製造はコスト高となり、特殊用途以外では実用化されていない。この高温化の対応策として、放射線による中温度域での二酸化炭素の一酸化炭素分解反応もすでに周知されているが、その分解効率は0.1％程度であり、上記と同様に実用化の目途は立っていない。
【0004】
一方、水素製造の上記課題とは別に、原子力発電所から使用済み核燃料の再処理で生じる高強度放射線源である高レベル廃棄物の貯蔵・長期保管問題は大きな国民の不安ストレスの原因のひとつとなっている。また、将来のエネルギー源として期待される核融合炉においても、ＤＴ反応の結果として発生する高エネルギー中性子の対処や冷却水を用いることによる問題の解決が大きな課題となっている。さらに、太陽光発電における放射エネルギー損失を解決する手段や、地下深いマグマ層からの高温地熱を利用した発電システムの開発が求められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】P.Harteck and S.Dondes，J.Chem：Phys.，26，1727（1957）
【非特許文献2】N.Fujita and C.Matsuura：Radiation induced reduction of CO2 in iron containing solution，Radiat. Phys. Chem.，43，205（1994）
【非特許文献3】X.-Z. Wu，et al.：Chem. Lett.，2000，572-573.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、上記事実に鑑みなされたもので、従来発電や熱源として利用されている既存若しくは将来の熱源、又は、当該熱源及び不必要な放射線を誘導触媒とすると共に、地球温暖化の原因である不要な二酸化炭素を一酸化炭素に還元分解した後、分解された一酸化炭素と水資源とから水性ガスシフト反応を利用して大量水素を安価に製造することを可能ならしめた水素製造装置、電力水素併産システム及び水素製造方法を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するため、本発明の水素製造装置は、熱、又は、熱及び放射線を用いて、超臨界ＣＯ２をＣＯ及びＯ２に分解するためのＣＯ２熱分解反応を引き起こす、超臨界ＣＯ２分解部と、前記超臨界ＣＯ２分解部で分解されたＣＯとＨ２Ｏとの間で水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、Ｈ２及びＣＯ２を生成する、水性ガスシフト反応部と、を備えて構成したものである。
【0008】
例えば、前記超臨界ＣＯ２分解部は、外部の熱源からの熱、又は、外部の熱源からの熱及び外部の放射線源からの放射線を受け取るように配置された、超臨界ＣＯ２が導入されるＣＯ２配管を備える。
【0009】
好ましくは、前記水性ガスシフト反応部により生成されたＣＯ２を超臨界化した状態で前記超臨界ＣＯ２分解部に戻す超臨界ＣＯ２循環経路をさらに備える。
前記ＣＯ２配管は、外部の熱源からの熱及び外部の放射線源からの放射線を受け取るように配置されており、前記外部の熱源は、中温度域熱源である。或いは、前記ＣＯ２配管は、外部の熱源からの熱を受け取るように配置されており、前記外部の熱源は、１１００℃以上の高温度域熱源である。
前記ＣＯ２配管は、外部の熱源からの熱及び外部の放射線源からの放射線を受け取るように配置されており、前記外部の熱源は、中温度域熱源である。或いは、前記ＣＯ２配管は、外部の熱源からの熱を受け取るように配置されており、前記外部の熱源は、１１００℃以上の高温度域熱源である。
【0010】
例えば、前記外部の熱源及び外部の放射線源は、高レベル放射性廃棄物を収納した収納管であり、前記ＣＯ２配管は、前記収納管を取り囲むように配置された配管である。例えば、前記外部の熱源は加熱ヒーターであり、前記外部の放射線源は６０ＣＯ線源である。例えば、前記外部の熱源及び外部の放射線源は原子力発電炉である。例えば、前記原子力発電炉は、該原子力発電炉の炉心で発生した熱を伝達するための溶融塩が循環する溶融塩循環経路を備え、前記ＣＯ２配管は、前記溶融塩循環経路内に配置される。
【0011】
外部の熱源、又は、前記外部の熱源及び外部の放射線源は、核融合発電炉であってもよい。具体的には、前記ＣＯ２配管は、前記核融合発電炉のブランケットを冷却する配管として構成され、好ましくは、前記ブランケットは放射線・中性子増倍材を備える。或いは、前記ＣＯ２配管は、前記核融合発電炉のダイバータを冷却する配管として構成され、好ましくは、前記ダイバータは、複数のダイバータカセットから構成される。前記ダイバータカセットは、前記核融合発電炉の炉心プラズマから放射される熱を受け取るように配置されたタングステンのプレートと、該プレートの裏面側に連結された前記ＣＯ２配管と、を備えていてもよい。好ましくは、前記プレートの裏面側に連結された前記ＣＯ２配管は、複数の配管から構成される。さらに好ましくは、前記ＣＯ２配管は、前記ダイバータに入力される超臨界ＣＯ２の入口配管と、前記ダイバータから出力されたガスの出口配管と、前記入口配管と前記出口配管との間で熱交換を行う熱交換器とを備える。
【0012】
他の例としての前記ＣＯ２配管は、太陽光が集光される集熱部に配置される。さらに別の例のＣＯ２配管は、マグマ層からの熱を受け取るように地下に配置される。
好ましくは、前記水性ガスシフト反応部は、触媒としてマグネタイト（Fe3O4）又は酸化第二鉄（Fe2O3）を備える。
好ましくは、前記水性ガスシフト反応部は、触媒としてマグネタイト（Fe3O4）又は酸化第二鉄（Fe2O3）を備える。
【0013】
本発明の電力水素併産システムは、上記した水素製造装置と、前記核融合発電炉と、前記核融合発電炉によって加熱された超臨界ＣＯ２を循環させてガスタービンを回転させることによって発電する発電装置と、を備える。
【0014】
本発明の別の例の電力水素併産システムは、原子力発電炉の前記超臨界ＣＯ２循環経路に配置された、超臨界ＣＯ２を用いた発電装置を備える。また、前記超臨界ＣＯ２分解部の前記ＣＯ２配管から排出された、ＣＯ、ＣＯ２及びＯ２を含むガスを利用して発電を行う発電装置を備えていてもよく、前記発電装置は、発電に利用した前記ガスを前記水性ガスシフト反応部に供給すると共に、前記水性ガスシフト反応部で生成されたＣＯ２を再利用し、前記ＣＯ２配管に戻す。また、前記溶融塩循環経路に配置された超臨界ＣＯ２の第２のＣＯ２配管を備え、該第２のＣＯ２配管を流れる超臨界ＣＯ２を用いた発電装置とを備えていてもよく、この場合、好ましくは、前記第２のＣＯ２配管は、放射線を遮蔽する遮蔽ブランケットにより覆われている。
【0015】
本発明のさらに別の例の電力水素併産システムは、太陽光の集熱部により加熱されたＣＯ２配管を超臨界ＣＯ２分解部として備えた水素製造装置と、前記集熱部の熱により加熱された超臨界ＣＯ２を利用して発電を行う発電装置と、
を備える。
を備える。
【0016】
本発明のさらに別の例の電力水素併産システムは、マグマ層の熱により加熱されるため地下深く埋められたＣＯ２配管を超臨界ＣＯ２分解部として備えた水素製造装置と、加熱された超臨界ＣＯ２を利用して発電も行う発電装置と、を備える。
【0017】
本発明の水素製造方法は、超臨界ＣＯ２に、熱又は熱及び放射線を適用することによって該超臨界ＣＯ２をＣＯ及び酸素に分解し、分解された一酸化炭素に水を加え、水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、Ｈ２及びＣＯ２を生成し、生成されたＣＯ２を超臨界状態で前記分解工程に戻すことによりＣＯ２を循環させる、各工程を備えて構成したものである。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【発明を実施するための形態】
【0019】
【0020】
図１に示されるように、第１の実施形態に係る水素製造装置１は、超臨界ＣＯ２が導入される超臨界ＣＯ２分解部２であって、熱及び放射線を用いて超臨界ＣＯ２をＣＯ及び酸素に分解するためのＣＯ２熱分解反応を促進する、超臨界ＣＯ２分解部２と、超臨界ＣＯ２分解部２で分解された一酸化炭素に水を加え、水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、Ｈ２及びＣＯ２を生成する、水性ガスシフト反応部３と、を備える。
【0021】
好ましくは、水素製造装置１は、超臨界ＣＯ２分解部２から水性ガスシフト反応部３に、ＣＯを含むガスを輸送するための第1の循環経路４と、水性ガスシフト反応部３により生成されたＣＯ２を超臨界化した状態で超臨界ＣＯ２分解部２に戻す第２の循環経路１０をさらに備える。また好ましくは、上記した各反応においてＣＯ２ガスが超臨界状態でなくなる場合には、第２の循環経路１０を流れるＣＯ２ガスを加圧或いは加熱すること等により超臨界ＣＯ２へと戻す超臨界化機構１１を備える。
【0022】
また、好ましくは、水性ガスシフト反応部３は、水性ガスシフト反応のための触媒としてマグネタイト（Fe3O4）又は酸化第二鉄（Fe2O3）を備える。
超臨界ＣＯ２分解部２は、外部の熱源５からの熱及び外部の放射線源６からの放射線を受け取るように配置されている。外部の熱源５は、例えば８００℃以下の中温度域熱源であるがこれに限定されるものではない。放射線源６は、例えば中性子、電子線、γ線、α線の源が挙げられるが、これに限定されるものではない。熱源５及び放射線源６は、別々の源であってもよく、或いは、後述する原子炉力発電炉や核融合発電炉などの１つの源７であってもよい。
超臨界ＣＯ２分解部２は、外部の熱源５からの熱及び外部の放射線源６からの放射線を受け取るように配置されている。外部の熱源５は、例えば８００℃以下の中温度域熱源であるがこれに限定されるものではない。放射線源６は、例えば中性子、電子線、γ線、α線の源が挙げられるが、これに限定されるものではない。熱源５及び放射線源６は、別々の源であってもよく、或いは、後述する原子炉力発電炉や核融合発電炉などの１つの源７であってもよい。
【0023】
超臨界ＣＯ２分解部２で引き起こされるＣＯ２熱分解反応は以下の通りである。
ＣＯ２＋５６６ｋJ/mol→ＣＯ＋1/2Ｏ２
従って、超臨界ＣＯ２分解部２では、一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２とが生成される。実際には、超臨界ＣＯ２分解部２から排出されるガスには、分解されなかったＣＯ２も含まれる。好ましくは、水素製造装置１は、分解された一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２とを超臨界ＣＯ２分解部２から排出するためのドライポンプ／ターボ分子ポンプ（図示せず）と、排出された一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２とを分離する第１の分離部８とを備える。分離部８は、例えば、高い選択性でＣＯを吸着するＣＯ吸着剤（例えばゼオライト）やＣＯを分離回収するゲッター材を有し、吸着されなかったガスをＯ２として分離するか、或いはその逆に、分離部８は、高い吸着性でＯ２を吸着する材料を用いてもよい。いずれにしても本発明は第１の分離部８の構成を限定するものではない。また、分離部８は、超臨界ＣＯ２分解部２で分解されなかったＣＯ２ガスを他のガスから分離するようにしてもよい。この分離されたＣＯ２ガスは、水性ガスシフト反応部３を経ずに直接、第２の循環経路１０に戻されてもよい。
ＣＯ２＋５６６ｋJ/mol→ＣＯ＋1/2Ｏ２
従って、超臨界ＣＯ２分解部２では、一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２とが生成される。実際には、超臨界ＣＯ２分解部２から排出されるガスには、分解されなかったＣＯ２も含まれる。好ましくは、水素製造装置１は、分解された一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２とを超臨界ＣＯ２分解部２から排出するためのドライポンプ／ターボ分子ポンプ（図示せず）と、排出された一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２とを分離する第１の分離部８とを備える。分離部８は、例えば、高い選択性でＣＯを吸着するＣＯ吸着剤（例えばゼオライト）やＣＯを分離回収するゲッター材を有し、吸着されなかったガスをＯ２として分離するか、或いはその逆に、分離部８は、高い吸着性でＯ２を吸着する材料を用いてもよい。いずれにしても本発明は第１の分離部８の構成を限定するものではない。また、分離部８は、超臨界ＣＯ２分解部２で分解されなかったＣＯ２ガスを他のガスから分離するようにしてもよい。この分離されたＣＯ２ガスは、水性ガスシフト反応部３を経ずに直接、第２の循環経路１０に戻されてもよい。
【0024】
分離部８で分離されたＣＯは、水性ガスシフト反応部３に導入される。さらに水性ガスシフト反応部３には、水が供給される。水性ガスシフト反応部３では、分離部８から導入されたＣＯとＨ２Ｏとの間で以下の水性ガスシフト反応プロセスが引き起こされる。
【0025】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２＋４１．２ｋJ/mol
すなわち、水性ガスシフト反応部３は、二酸化炭素ＣＯ２と水素Ｈ２とを生成する。二酸化炭素ＣＯ２と水素Ｈ２とを分離する第２の分離部９としては、水性ガスシフト反応部３において、例えば不活性ガスであるアルゴンＡｒが導入／排出されてＡｒの流れが生成されており、その流れに運搬された二酸化炭素ＣＯ２と水素Ｈ２とが比重差により分離されるという機構などが考えられるが、本発明は第２の分離部９の構成を限定するものではない。上述したように分離された二酸化炭素ＣＯ２は、第２の循環経路１０に戻される。分離されたＨ２は、水素資源として外部へと取り出される。
すなわち、水性ガスシフト反応部３は、二酸化炭素ＣＯ２と水素Ｈ２とを生成する。二酸化炭素ＣＯ２と水素Ｈ２とを分離する第２の分離部９としては、水性ガスシフト反応部３において、例えば不活性ガスであるアルゴンＡｒが導入／排出されてＡｒの流れが生成されており、その流れに運搬された二酸化炭素ＣＯ２と水素Ｈ２とが比重差により分離されるという機構などが考えられるが、本発明は第２の分離部９の構成を限定するものではない。上述したように分離された二酸化炭素ＣＯ２は、第２の循環経路１０に戻される。分離されたＨ２は、水素資源として外部へと取り出される。
【0026】
本願発明の第１の実施形態に係る水素製造装置１によれば、超臨界ＣＯ２に熱及び放射線を適用することにより、ＣＯ２熱分解反応が促進されるため、従来より高い効率でＣＯを分離することが可能となる。以下、この分解効率について計測結果に基づいて説明する。
（60Co高温照射による超臨界状態のCO2/CO分解効率の測定）
図４には、60Co高温照射による超臨界状態のCO2/CO分解効率の測定の流れが示されている。図４に示されるように、先ず、ボンベに、臨界状態ではない未臨界ＣＯ２ガスを封入する。ＣＯ２臨界温度は、３０４．１Ｋ（３１．１℃）、ＣＯ２臨界圧力は、７．３８ＭＰａであるところ、例えば２５℃で７．３８ＭＰａの圧力でＣＯ２ガスを封入する。圧力は臨界圧力であるが温度が臨界温度よりも低いため、ボンベに封入されたＣＯ２ガスは未臨界状態となる。
（60Co高温照射による超臨界状態のCO2/CO分解効率の測定）
図４には、60Co高温照射による超臨界状態のCO2/CO分解効率の測定の流れが示されている。図４に示されるように、先ず、ボンベに、臨界状態ではない未臨界ＣＯ２ガスを封入する。ＣＯ２臨界温度は、３０４．１Ｋ（３１．１℃）、ＣＯ２臨界圧力は、７．３８ＭＰａであるところ、例えば２５℃で７．３８ＭＰａの圧力でＣＯ２ガスを封入する。圧力は臨界圧力であるが温度が臨界温度よりも低いため、ボンベに封入されたＣＯ２ガスは未臨界状態となる。
【0027】
次に、未臨界ＣＯ２ガスが封入されたボンベを加熱ヒーターで加熱すると共に、１０ｋＧｙ／ｈのγ線（１．１～１．３ＭｅＶ）を照射する60Coをボンベの近傍に配置した。加熱温度は、２００℃、４００℃、６００℃の各温度を選択し、それぞれの加熱温度を継続させ、０～６０分間の間の幾つかの時間でボンベ内で分解されたＣＯ濃度を測定し、ＣＯ／ＣＯ２比率を求めた。
【0028】
図５には、60Co高温照射による超臨界状態のCO2/CO分解効率の測定結果のグラフが示されている。比較のため、ボンベを加熱せず温度を２５℃に維持したときの測定結果、すなわち未臨界ＣＯ２の測定結果も示されている。図５のグラフに示されているように、未臨界ＣＯ２の測定結果（２５℃）は、測定開始後の短時間内でＣＯ／ＣＯ２比率が急激に増加するが、その後は、増加することなく測定終了まで１０％程度で推移する。これに対して、２００℃、４００℃、６００℃の各温度では、ボンベ内のＣＯ２が超臨界状態となっていると考えられ、測定開始後の短時間内で急激にＣＯ／ＣＯ２比率が増加し、その後も１０００秒まで、それぞれ２４％、２７％、４５％まで緩やかに増加する遷移状態が観測された。１０００秒以降は、測定終了までＣＯ／ＣＯ２比率がほぼ一定値を維持した。この安定した状態は、照射γ線に対する、分解したＣＯによる自己遮蔽効果、ＣＯ－Ｏ再結合反応、放射線エネルギー不足によるものと考えられる。
【0029】
図５の測定結果から、放射線照射下において、ＣＯ２を超臨界状態にすることによって、従来技術よりも、有意に増加し、さらに、温度をより高温にするにつれて、ＣＯ／ＣＯ２比率は、より増加することが示された。このことから図１の熱源５を図４の加熱ヒーターとし、放射線源６を６０ＣＯ線源とする水素製造装置１を構成することによって、従来技術よりも遥かに高いＣＯ／ＣＯ２比率を達成し、よって、水素製造効率を顕著に向上することが可能となることが理解できる。
【0030】
図６には、従来技術と本発明とのＣＯ２熱分解反応プロセスの相違が示されている。
図６に示されるように、従来の流通法電子線照射（１．２×１０１７ｅＶ／ｃｍ３ｓ）によるＣＯ２熱分解反応プロセスでは、未臨界状態のＣＯ２からの生成物のＧ値（エネルギーを１００ｅＶ吸収したときに発生する化学反応生成物の数）は、２０℃で８であり、５００℃に温度を上げても１３程度であった。また、ＣＯ／ＣＯ２比率は、０．１％程度である。これに対して、本発明では、超臨界状態のＣＯ２からの生成物のＧ値は、５０℃で１３００となり、ＣＯ／ＣＯ２比率は、数十％にも上がる。
図６に示されるように、従来の流通法電子線照射（１．２×１０１７ｅＶ／ｃｍ３ｓ）によるＣＯ２熱分解反応プロセスでは、未臨界状態のＣＯ２からの生成物のＧ値（エネルギーを１００ｅＶ吸収したときに発生する化学反応生成物の数）は、２０℃で８であり、５００℃に温度を上げても１３程度であった。また、ＣＯ／ＣＯ２比率は、０．１％程度である。これに対して、本発明では、超臨界状態のＣＯ２からの生成物のＧ値は、５０℃で１３００となり、ＣＯ／ＣＯ２比率は、数十％にも上がる。
【0031】
ＣＯ２を超臨界化することにより放射線分解効果が顕著に向上する理由について、図７を用いて考察する。図７に示されるように、通常のＣＯ２希ガス状態では、放射線との邂逅確率が低いと推測される。これに対して、ＣＯ２超臨界状態では、高密度であるとともに、原子間振動が激しくなるため、放射線の邂逅確率が高くなり、またＯ－Ｃ－Ｏ結合チェーンの切断効率が向上すると推測される。
【0032】
従って、図３に示されるように、本発明の水素製造方法は、超臨界ＣＯ２に、熱及び放射線を適用することによって該超臨界ＣＯ２をＣＯ及び酸素に分解し、分解された一酸化炭素に水を加え、水性ガスシフト反応を引き起こすことにより、Ｈ２及びＣＯ２を生成し、生成されたＣＯ２を超臨界状態で前記分解工程に戻すことによりＣＯ２を循環させる、各工程を備えて構成することができる。
【0033】
熱源５及び放射線源６、或いは、両者を統合した一つの源７の例は、上記の例に限定されるものではないことはいうまでもなく、少なくとも、以下の態様が考えられる。なお、各態様において、図１と同様の構成要件には、図１で使用された参照番号に各態様毎にアルファベットの添え字ａ、ｂ、ｃ、ｄを付けて詳細な説明を省略する。
（態様１―高レベル放射性廃棄物を熱源及び放射線源とする）
図８には、態様１に係る超臨界ＣＯ２分解部２ａが示されている。図８に示されるように、超臨界ＣＯ２分解部２ａは、高レベル放射性廃棄物の施設２２内に設けられており、当該施設２２内には、高レベル放射性廃棄物を収納した収納管２０が複数本配置されており、これらが、熱及び放射線を照射する熱源及び放射線源７ａとなる。収納管２０の各々には、高レベル放射性廃棄物が封入されたガラス固化体２１が直列に複数本配列されている。超臨界ＣＯ２分解部としてのＣＯ２配管２ａが各々の収納管２０を取り囲むように設けられている。ＣＯ２配管２ａに超臨界ＣＯ２が導入されることで、ＣＯ２配管２ａを流れる超臨界ＣＯ２は、収納管２０から照射される熱及び放射線により、ＣＯ２熱分解反応が促進され、分解されたＣＯは、水性ガスシフト反応部３（図１）へと輸送される。
（態様１―高レベル放射性廃棄物を熱源及び放射線源とする）
図８には、態様１に係る超臨界ＣＯ２分解部２ａが示されている。図８に示されるように、超臨界ＣＯ２分解部２ａは、高レベル放射性廃棄物の施設２２内に設けられており、当該施設２２内には、高レベル放射性廃棄物を収納した収納管２０が複数本配置されており、これらが、熱及び放射線を照射する熱源及び放射線源７ａとなる。収納管２０の各々には、高レベル放射性廃棄物が封入されたガラス固化体２１が直列に複数本配列されている。超臨界ＣＯ２分解部としてのＣＯ２配管２ａが各々の収納管２０を取り囲むように設けられている。ＣＯ２配管２ａに超臨界ＣＯ２が導入されることで、ＣＯ２配管２ａを流れる超臨界ＣＯ２は、収納管２０から照射される熱及び放射線により、ＣＯ２熱分解反応が促進され、分解されたＣＯは、水性ガスシフト反応部３（図１）へと輸送される。
【0034】
態様１では、高レベル放射性廃棄物のより安全な保管が可能になると共に、原価０で水素を製造することが可能となる。
（態様２－原子力発電炉を熱源及び放射線源とする）
図９には、外部の熱源５ｂ及び外部の放射線源６ｂの統合化した源として原子力発電炉７ｂが示されている。原子力発電炉７ｂは、炉心３０と、炉心３０で発生した熱を伝達するための溶融塩が循環する溶融塩循環経路３１と、溶媒塩を経路３１内で循環させるためのモータ付きポンプ３２と、を備える。溶融塩循環経路３１内には、超臨界ＣＯ２分解部としてのＣＯ２配管２ｂが配置される。ＣＯ２配管２ｂに超臨界ＣＯ２が導入されることで、ＣＯ２配管２ｂを流れる超臨界ＣＯ２は、溶媒塩を介して伝達される炉心３０の熱及び炉心３０から照射される放射線により、ＣＯ２熱分解反応が促進され、分解されたＣＯは、水性ガスシフト反応部３ｂへと輸送される。
（態様２－原子力発電炉を熱源及び放射線源とする）
図９には、外部の熱源５ｂ及び外部の放射線源６ｂの統合化した源として原子力発電炉７ｂが示されている。原子力発電炉７ｂは、炉心３０と、炉心３０で発生した熱を伝達するための溶融塩が循環する溶融塩循環経路３１と、溶媒塩を経路３１内で循環させるためのモータ付きポンプ３２と、を備える。溶融塩循環経路３１内には、超臨界ＣＯ２分解部としてのＣＯ２配管２ｂが配置される。ＣＯ２配管２ｂに超臨界ＣＯ２が導入されることで、ＣＯ２配管２ｂを流れる超臨界ＣＯ２は、溶媒塩を介して伝達される炉心３０の熱及び炉心３０から照射される放射線により、ＣＯ２熱分解反応が促進され、分解されたＣＯは、水性ガスシフト反応部３ｂへと輸送される。
【0035】
さらに、図９に示すシステム１００は、水素製造装置だけではなく、超臨界ＣＯ２分解部のＣＯ２配管２ｂから第１の循環経路４ｂを通って排出された、ＣＯ、ＣＯ２及びＯ２を含むガスを利用して発電を行う発電装置３５を備えている。発電装置３５は、発電に利用したガスを水性ガスシフト反応部３ｂに供給すると共に、水性ガスシフト反応部３ｂで生成されたＣＯ２を再利用し、第２の循環経路１０ｂを介してＣＯ２配管２ｂに戻す。
【0036】
発電装置３５は、一軸連結された、コンプレッサＭＣ，ＢＣ及びタービンＧを有するガスタービン部３６を備え、ＣＯ、ＣＯ２及びＯ２を含むガスでガスタービン部３６が回転することにより発電を行うことができる。
【0037】
また、溶融塩循環経路３１内には、第２の配管３３が配置されてもよく、原子力発電炉が通常行う水蒸気を用いた発電を実行するために使用することができる。
以上の通り、図９に示すシステム１００は、水素を製造すると共に発電を行う電力水素併産システム（第１変形例）を構成する。
以上の通り、図９に示すシステム１００は、水素を製造すると共に発電を行う電力水素併産システム（第１変形例）を構成する。
【0038】
図１０には、第２変形例に係る電力水素併産システム１０１が示されている。電力水素併産システム１０１において、発電装置３５は、第1変形例のように第１の循環経路４ｃ、第２の循環経路１０ｃに設けられるのではなく、超臨界ＣＯ２が循環される第２の配管３３ｃに接続される。第２の配管３３ｃは、原子力発電炉７ｃによって加熱される溶融塩の循環経路３１に配置されているため、発電装置３５は、加熱された超臨界ＣＯ２によって効率的に発電を行うことが可能となる。発電装置３５には、分解されたＣＯは不要であるため、第２の変形例において、第２の配管３３ｃは、原子力発電炉７ｃの炉心３０からの放射線を遮蔽する遮蔽シールド３４で覆われているのが好ましい。
（態様３－核融合発電炉を熱源及び放射線源とする）
図１１には、外部の熱源５ｄ及び外部の放射線源６ｄの統合化した源として核融合発電炉７ｄが示されている。核融合発電炉７ｄは、トカマク型の核融合発電炉であり、炉心プラズマ５０を閉じ込めるためのプラズマ真空容器４０と、プラズマ５０を閉じ込める磁場を発生する、超伝導ヘリカルコイル４１及び超伝導ポロイダルコイル４２と、電磁力支持構造４３と、外装部を形成するクライオスタット（断熱真空容器）４４と、プラズマ５０を取り囲むように真空容器４０の内壁に設けられたブランケット４５と、効率の良い排熱・排不純物粒子を可能とするためプラズマ粒子が集中される磁場配位を形成するダイバータ４６と、を備える。
（態様３－核融合発電炉を熱源及び放射線源とする）
図１１には、外部の熱源５ｄ及び外部の放射線源６ｄの統合化した源として核融合発電炉７ｄが示されている。核融合発電炉７ｄは、トカマク型の核融合発電炉であり、炉心プラズマ５０を閉じ込めるためのプラズマ真空容器４０と、プラズマ５０を閉じ込める磁場を発生する、超伝導ヘリカルコイル４１及び超伝導ポロイダルコイル４２と、電磁力支持構造４３と、外装部を形成するクライオスタット（断熱真空容器）４４と、プラズマ５０を取り囲むように真空容器４０の内壁に設けられたブランケット４５と、効率の良い排熱・排不純物粒子を可能とするためプラズマ粒子が集中される磁場配位を形成するダイバータ４６と、を備える。
【0039】
態様３では、超臨界ＣＯ２分解部のＣＯ２ガス配管を、核融合発電炉７ｄで高熱負荷のかかる、ブランケット４５に設ける（第1変形例）か、或いは、最も高温になるダイバータ４６（第２変形例）に設けることが考えられる。以下、それぞれの変形例について説明する。
【0040】
図１２には、態様３の第１変形例の超臨界ＣＯ２分解部２ｄが適用された図１１の核融合発電炉のブランケット４５の一部拡大図が示されている。図示のようにブランケット４５は、炉心プラズマ５０に面するプラズマ真空容器４０の内壁に設けられている。ブランケット４５は、プラズマ５０からの高温放射を受けるため高温度になり、冷却機構が必須である。従来では冷却水による冷却が考えられてきたが、本発明は、ブランケット４５の冷却手段として、超臨界ＣＯ２分解部２ｄを設けたものである。
【0041】
超臨界ＣＯ２分解部２ｄは、ブランケット４５の裏面側に設けられた冷却配管（図示せず）として構成されている。当該冷却配管には、超臨界ＣＯ２の入口配管４８と、該冷却配管を流れるガスの出口配管４９と、が接続される。入口配管４８から導入された超臨界ＣＯ２は、ブランケットの冷却配管を流れ、このとき、プラズマ５０から放射される熱及び中性子により熱分解反応が引き起こされてＣＯを含むガスとなり、出口配管４９から出ていく。出口配管４９から出たＣＯを含むガスは、水性ガスシフト反応部へと導かれる。
【0042】
好ましくは、ブランケット４５は放射線・中性子増倍材４７を備える。これによって、中性子を始めとする放射線を増加させて、冷却配管中のＣＯ２熱分解反応をより促進させることが可能となる。
【0043】
図１３には、態様３の第２変形例の超臨界ＣＯ２分解部２ｅが適用された図１１の核融合発電炉のダイバータ４６の斜視図が示されている。図示のように、ダイバータ４６は、複数のダイバータカセット５１を敷き詰めて構成される。ダイバータカセット５１の各々は、独立して交換可能となっており、破損時の修復作業を容易にしている。なお、図１３には、プラズマ真空容器４０のための冷却水配管５２と、配管接続部５３とが示されている。
【0044】
図１４には、超臨界ＣＯ２分解部２ｅの概略図が示されている。図示のように、超臨界ＣＯ２分解部２ｅは、ダイバータ４６又はダイバータカセット５１を冷却する冷却配管７０（ＣＯ２配管）として構成されており、具体的には、プラズマからの高温熱負荷を受けるダイバータ４６又はダイバータカセット５１の表面プレート７２の裏面側に配置された超臨界ＣＯ２の冷却配管（後述する）として構成される。冷却配管７０には、超臨界ＣＯ２の入口配管５６と、該冷却配管を流れるＣＯを含むガスの出口配管５７と、が接続される。入口配管５６から導入された超臨界ＣＯ２は、ダイバータの冷却配管７０を流れ、このとき、プラズマ５０から放射される熱及び中性子により熱分解反応が引き起こされてＣＯを含む高温ガスとなり、出口配管５７を通ってダイバータから出ていく。
【0045】
図１５には、冷却配管７０における超臨界ＣＯ２の入口速度に対する、冷却配管７０の入口及び出口におけるガス温度と表面プレート７２の温度との関係をシュミレーションした結果が示されている。図１５のグラフに示されるように、例えば入口速度２００ｍ／ｓにおいて、入口温度が１２００Ｋ，出口温度が１３７３Ｋとなった。また、表面プレート７２の最高表面温度が約３０００Ｋであり、平均表面温度が約２８００Ｋとなった。従って、表面プレート７２の材料としてタングステンを用いれば、その融点は図１６の最高表面温度より低いので、表面プレートの溶解を防止することができる。よって、超臨界ＣＯ２による十分な冷却効果が確認された。
【0046】
好ましくは、超臨界ＣＯ２分解部２ｅは、入口配管５６と出口配管５７との間で熱交換を行う熱交換器５５をさらに備える。熱交換器５５には、入口配管５６と連通する入口ポート５８と、出口配管５７と連通する出口ポート５９と、が設けられている。入口ポート５８から導入された超臨界ＣＯ２は、熱交換器５５内の入口配管５６を通過する間に、より高温のＣＯを含むガスが流れる出口配管５７により加熱されて、より高温となり、ダイバータの冷却配管７０へと流れ、プラズマからの熱によりさらに加熱されて出口配管５７を通ってダイバータから出ていく。出口配管５７を通って流れるＣＯを含むガスは、熱交換器５５内で、入口配管５６を流れる超臨界ＣＯ２を加熱することにより冷却され、出口ポート５９から出ていく。シミュレーションによれば、熱交換器５５の入口ポートに導入する超臨界ＣＯ２の温度を３５０Ｋにすれば、熱交換器５５により１２００Ｋまで温度が上昇し、さらに冷却配管７０を通過した後には１３７３Ｋまで加熱され、それから熱交換器５５により３５０Ｋまで冷却される。好ましい本態様によれば、３５０Ｋの温度でより容易にガスを取り扱うことが可能となる。
【0047】
図１６には、冷却配管７０の基本構成及び各構成要素が示されている。図１６（ａ）に示されるように、冷却配管７０は、配管部分７１（図１６（ｂ））と、配管部分７１の上面に連結されるタングステンの表面プレート７２（図１６（ｃ））とを備えている。冷却配管７０には、図１６（ｄ）に示す形状の超臨界ＣＯ２７３が流れることになる。
【0048】
図１７には、冷却配管７０（ＣＯ２配管）のより具体的な複数の変形例が示されている。なお、図１７（ａ）～（ｅ）において、各々対応する構成要件には同様の参照番号を付与し、アルファベットの添え字を用いて各例を区別し、異なる部分についてのみ説明する。
【0049】
図１７（ａ）に示されるように、冷却配管７０ａは、並列に並べられた複数の配管部分７１ａと、該複数の配管部分７１ａの上面に亘って連結されたタングステンの表面プレート７１ａと、複数の配管部分７１ａに超臨界ＣＯ２を導入するため複数の配管部分７１ａの一端部に連結された入口マニホルド７４ａと、複数の配管部分７１ａからＣＯを含むガスを排出するため複数の配管部分７１ａの他端部に連結された出口マニホルド７５ａとを備えている。入口マニホルド７４ａには、超臨界ＣＯ２の３つの入口ポートが形成され、出口マニホルド７５ａにはＣＯを含むガスの１つの出口ポートが設けられている。入口ポートは入口配管５６と連通され、出口ポートは出口配管５７と連通される。
【0050】
【0051】
図１７（ｃ）に示す冷却配管７０ｃでは、入口マニホルド７４ｃ及び出口マニホルド７５ｃが冷却配管７０ａ、７０ｂと比較してより平坦であり、その形状も異なっている。また、入口マニホルド７４ｃの入口ポートの数が１つであり、出口マニホルド７５ｃの出口ポートの数が１つである。
【0052】
図１７（ｄ）に示す冷却配管７０ｄは、冷却配管７０ｃと類似しているが、出口マニホルド７５ｄが複数の出口ポートを有しており、またその形状も冷却配管７０ｃの出口マニホルド７５ｃとは異なっている。
【0053】
図１７（ｅ）に示す冷却配管７０ｅは、入口マニホルド７４ｅが平坦で複数の入口ポートを有しており、出口マニホルドが設けられておらず、複数の配管部分７１ａの端部が露出されたままとなっている。
【0054】
本発明の態様３に係る超臨界ＣＯ２分解部２は、ブランケットやダイバータを冷却する冷却媒体としてＣＯ２ガスを用いているため、従来の冷却水と比べて以下の利点を有する。
（１） 高圧の超臨界CO2が真空容器に漏洩した場合、断熱膨張により急激に温度が下がるため消火剤的に機能し近傍の高温機器へ損傷を与えない。これに対して水の場合、高温機器への場合によっては水素・蒸気爆破や酸化の危険性がある。
（２） 冷却水を用いた場合、核融合燃料であるトリチウムが混入したり、水素が中性子によりトリチウムに変換されることがあるため、環境に対してトリチウム汚染のおそれがあるが、ＣＯ２ガスを用いる場合は、その可能性が存在しない。
（３） 冷却水を用いた場合、水が真空容器の内壁に付着する汚染があるが、ＣＯ２ガスの場合、そのような汚染のおそれは少ない。
（１） 高圧の超臨界CO2が真空容器に漏洩した場合、断熱膨張により急激に温度が下がるため消火剤的に機能し近傍の高温機器へ損傷を与えない。これに対して水の場合、高温機器への場合によっては水素・蒸気爆破や酸化の危険性がある。
（２） 冷却水を用いた場合、核融合燃料であるトリチウムが混入したり、水素が中性子によりトリチウムに変換されることがあるため、環境に対してトリチウム汚染のおそれがあるが、ＣＯ２ガスを用いる場合は、その可能性が存在しない。
（３） 冷却水を用いた場合、水が真空容器の内壁に付着する汚染があるが、ＣＯ２ガスの場合、そのような汚染のおそれは少ない。
【0055】
図１８には、核融合発電炉を熱源及び放射線源として利用した態様３（第２変形例）に係る水素製造装置と、超臨界ＣＯ２を用いた発電装置６０と、を備える電力水素併産システム１０２が示されている。
【0056】
電力水素併産システム１０２では、上述した超臨界ＣＯ２分解部２ｅと水性ガスシフト反応部３ｅとを備える水素製造装置により水素が製造されると共に、核融合発電炉の熱を利用した発電装置６０により電力が生成される。
【0057】
発電装置６０は、核融合発電炉のブランケット４５の熱により加熱される溶融塩の循環経路６９と超臨界ＣＯ２との間で熱交換を行う主熱交換器６１を備えている。発電装置６０は、一軸連結された、低圧コンプレッサ６２，高圧コンプレッサ６３、バイパスコンプレッサ６４、ガスタービン６５及び発電機６６を備えている。主熱交換器により加熱された超臨界ＣＯ２がガスタービン６５、コンプレッサ６２～６４を回転させることにより一緒に発電機６６も回転して電力を生成する。さらに、発電装置６０は、第１の再生熱交換器６７ａと、第２の再生熱交換器６７ｂと、前置冷却器６７ｃと、中間冷却器６８とを備える。
【0058】
なお、電力水素併産システム１０２では、ブランケット４５の熱により加熱される溶融塩の循環経路６９と発電装置６０の超臨界ＣＯ２との間で熱交換を行っていたが、図１２に示すようにブランケット４５の熱により直接超臨界ＣＯ２を加熱する構成を発電装置６０に用いれば、より効率的に、直接加熱された超臨界ＣＯ２で発電を行うことが可能となる。
【0059】
電力水素併産システム１０２によれば、従来の核融合発電炉における重水素（Ｄ）と三重水素（トリチウムＴ）とのＤＴ反応で電力を生成するだけでなく、水素を製造することが可能となる。従来のＤ－Ｔ反応の核融合発電炉では、重水素（Ｄ）とリチウム（Ｌｉ）を原燃料とし、リチウム（Ｌｉ）から三重水素（トリチウムＴ）を生成するが、炉心プラズマの温度をさらに高くすると将来的には水素（Ｈ）と水素（Ｈ）との核融合による核融合発電が可能となると期待されている。この場合、本発明の水素製造装置により製造された水素を核融合の燃料として使用することにより燃料の供給が不要となる究極の核融合発電炉を実現することができる。
＜第２の実施形態＞
図２は、本発明の第２の実施形態に係る水素製造装置１ｂの概略図である。図２において、図１の第１の実施形態と同様の構成要件については同様の参照番号を附して詳細な説明を省略し、相違する構成要件についてのみ説明する。図２に示す第2の実施形態に係る水素製造装置１ｂは、１１００℃以上の高温度域の熱源１２を備えている。このため、放射線照射無しに、超臨界ＣＯ２のＣＯ２熱分解反応を促進することができると考えられるため、第１の実施形態で熱源と共に利用される放射線源を省略することができる。ただし、さらなるＣＯ２熱分解反応の促進のために放射線源１３を備えていてもよく、或いは、熱源１２と放射線源１３とを兼ねた１つの源１４を備えていてもよい。１つの源１４の例としては、高エネルギー中性子が発生する元素同士の核融合を行う核融合反応炉において、高温度域加熱を可能とするダイバータ等を用いるものが挙げられる（従って、図１４に示す水素製造装置は第２の実施形態としても解釈可能である）。
＜第２の実施形態＞
図２は、本発明の第２の実施形態に係る水素製造装置１ｂの概略図である。図２において、図１の第１の実施形態と同様の構成要件については同様の参照番号を附して詳細な説明を省略し、相違する構成要件についてのみ説明する。図２に示す第2の実施形態に係る水素製造装置１ｂは、１１００℃以上の高温度域の熱源１２を備えている。このため、放射線照射無しに、超臨界ＣＯ２のＣＯ２熱分解反応を促進することができると考えられるため、第１の実施形態で熱源と共に利用される放射線源を省略することができる。ただし、さらなるＣＯ２熱分解反応の促進のために放射線源１３を備えていてもよく、或いは、熱源１２と放射線源１３とを兼ねた１つの源１４を備えていてもよい。１つの源１４の例としては、高エネルギー中性子が発生する元素同士の核融合を行う核融合反応炉において、高温度域加熱を可能とするダイバータ等を用いるものが挙げられる（従って、図１４に示す水素製造装置は第２の実施形態としても解釈可能である）。
【0060】
また、熱源１２のみの例としては、高エネルギー中性子が発生しない元素同士の核融合を行う核融合反応炉において、高温度域加熱を可能とするダイバータ等を用いるものが挙げられる。
【0061】
図２に示す熱源１２の熱のみでＣＯ２分解を行う他の例としては、以下に述べる太陽光と地下深い高温マグマ層の熱源とが挙げられる。
（太陽光を利用する態様）
図１９には、本発明の第２の実施形態（太陽光を利用する例）に係る、電力水素併産システム１０３が示されている。電力水素併産システム１０３では、１つ又は複数のミラーにより反射された太陽光を１か所に集光させて高温度域を達成する。
（太陽光を利用する態様）
図１９には、本発明の第２の実施形態（太陽光を利用する例）に係る、電力水素併産システム１０３が示されている。電力水素併産システム１０３では、１つ又は複数のミラーにより反射された太陽光を１か所に集光させて高温度域を達成する。
【0062】
図１９に示されるように、電力水素併産システム１０３は、熱源としての集熱部１２ａを有するタワー８０と、集熱部１２ａに向けて太陽光を反射するミラーを有する複数のヘリオスタット８３と、集熱部１２ａ内に設けられた、超臨界ＣＯ２分解部としてのＣＯ２配管２ｆと、超臨界ＣＯ２及びＣＯの循環経路４ｆ、１０ｆと、高温度域の集熱部１２ａで分解されたＣＯを含むガスを用いた水性ガスシフト反応部３ｆと、を備える。ヘリオスタット８３は、タワー８０の周囲の例えば地面の上に配置され、太陽の天球上での動きに合わせて向きを自動的に変えることができる。これによって、太陽が出ている限り、集熱部８１には太陽光が直接照射されると共にヘリオスタット８３から反射した太陽光が照射され続ける。
【0063】
【0064】
電力水素併産システム１０３は、集熱部１２ａより加熱された溶融塩（例えばFLiNaK）を循環させる配管８２と、配管８２と接続される発電部８１と、を備える。発電部８１は、配管８２から送られた加熱されたFLiNaKを蓄える高温溶融塩タンク８４と、高温溶融塩タンク８４からのFLiNaKと超臨界ＣＯ２との間で熱交換を行う熱交換器８６と、熱交換で加熱された超臨界ＣＯ２を用いて発電を行う発電装置６０（図１８参照）と、主熱交換器８６で超臨界ＣＯ２に熱を与えて低温になったFLiNaKを蓄える低温溶融塩タンク８５と、を備える。なお、発電部８１では、溶融塩ではなく集熱部１２ａで加熱された超臨界ＣＯ２を配管８２で循環させてもよい。これによって、発電装置６０は、集熱部１２ａで直接加熱された超臨界ＣＯ２で発電をより効率的に行うこともできる。太陽が沈む夜間や太陽が出ていない曇／雨／雪の天候においても、発電部８１は、高温溶融塩タンク８４の溶融塩に蓄熱した熱で発電を行うことが可能となる。本発明によれば、上記した昼間発電部による発電と、夜間での発電部８１との切り替えにより、一日を通した発電システムを実現することができる。
【0065】
電力水素併産システム１０３では、放射線源は存在しないため１つの熱源１２のみとなる。熱放射エネルギーは絶対温度の４乗に比例して増大するため、集熱部１２ａが高温になり過ぎると、放射熱損失が大きくなるが、集熱部１２ａをFLiNaKだけでなく超臨界ＣＯ２が流れて冷却するようにすれば、超臨界ＣＯ２に速やかに熱エネルギーが移行するため、水素製造と発電とを達成しつつ、放射熱損失も小さく抑えることができる。
（地熱を利用する態様）
図２０には、本発明の第２の実施形態（高温地熱を利用する例）に係る、電力水素併産システム１０４が示されている。電力水素併産システム１０４では、地下深く位置するマグマ層１２ｂからの高温度域の熱を利用して発電と水素製造とを達成する。
（地熱を利用する態様）
図２０には、本発明の第２の実施形態（高温地熱を利用する例）に係る、電力水素併産システム１０４が示されている。電力水素併産システム１０４では、地下深く位置するマグマ層１２ｂからの高温度域の熱を利用して発電と水素製造とを達成する。
【0066】
図２０に示されるように、電力水素併産システム１０４は、マグマ層１２ｂからの熱を十分に受けるように地下深く配置された、超臨界ＣＯ２分解部としてのＣＯ２配管２ｇと、超臨界ＣＯ２及びＣＯの循環経路４ｇ、１０ｇと、ＣＯ２配管２ｇから送られてきたガスからＣＯを分離するゲッター材を有するＣＯ分離回収炉９０と、熱交換で加熱された超臨界ＣＯ２を用いて発電を行う発電装置６０（図１８参照）と、マグマ層１２ｂの高温度域で分解されたＣＯを含むガスと水とを用いた水性ガスシフト反応部３ｇと、マグマ層１２ｂで加熱された超臨界ＣＯ２を用いて発電を行う発電装置６０（図１８参照）と、を備える。
【0067】
電力水素併産システム１０４によれば、マグマ層１２ｂからの熱を運搬する媒体として超臨界ＣＯ２を用いているため、水を用いる場合と比べてきわめて効率的に地下深くまで媒体を循環させて発電を行うことができると共に、水素を製造することができる。
【0068】
以上が本発明の実施形態であるが、本発明は、上記例に限定されるものではない。例えば、核融合発電炉は図１１に示したトカマク型発電炉に限定されるものではなく、ブランケット又はダイバータを備える他の型式の核融合発電炉にも適用可能である。
【0069】
また、上記例では、溶融塩としてFLiNaKを例にしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、十分に熱容量が大きく適切に使用することができる他の溶融塩を用いることができる。また、太陽熱の蓄熱材溶融塩として金属アルミニウムを用いることもできる。アルミニウムは熱伝導率が大きく、伝熱に有利な上、６６０℃で溶融し、融解熱及び比熱が大きいので、蓄熱（融解熱、顕熱）に有利となる。
【符号の説明】
【0070】
１、１ｂ 水素製造装置
２～２ｇ 超臨界ＣＯ２分解部（ＣＯ２配管）
３～３ｇ 水性ガスシフト反応部
４～４ｇ 第１の循環経路
５～５ｄ 熱源
６～６ｄ 放射線源
７～７ｄ １つの源（熱源及び放射線源）、原子力発電炉、核融合発電炉
８ 第１の分離部
９ 第２の分離部
１０～１０ｇ 第２の循環経路
１１ 超臨界化機構
１２、１２ａ、１２ｂ 熱源（高温度域）、太陽光発電の集熱部、マグマ層
１３ 放射線源
１４ １つの源（高温度域の熱源及び放射線源）
２０ 高レベル放射性廃棄物を収納した収納管
２１ ガラス固化体
２２ 高レベル放射性廃棄物の施設
３０ 原子力発電炉の炉心
３１ 溶融塩循環経路
３２ モータ付きポンプ
３３ 第２の配管
３４ 遮蔽シールド
３５ 発電装置
３６ ガスタービン部
４０ プラズマ真空容器
４１ 超伝導ヘリカルコイル
４２ 超伝導ポロイダルコイル
４３ 電磁力支持構造
４４ クライオスタット（断熱真空容器）
４５ ブランケット
４６ ダイバータ
４７ 放射線・中性子増倍材
４８ 超臨界ＣＯ２の入口配管
４９ 超臨界ＣＯ２の出口配管
５０ 炉心プラズマ
５１ ダイバータカセット
５２ プラズマ真空容器４０のための冷却水配管
５３ 配管接続部
５５ 熱交換器
５６ 入口配管
５７ 出口配管
５８ 入口ポート
５９ 出口ポート
６０ 超臨界ＣＯ２を用いた発電装置
６１ 主熱交換器
６２ 低圧コンプレッサ
６３ 高圧コンプレッサ
６４ バイパスコンプレッサ
６５ ガスタービン
６６ 発電機
６７ａ 第１の再生熱交換器
６７ｂ 第２の再生熱交換器
６７ｃ 前置冷却器
６８ 中間冷却器
６９ 溶融塩の循環経路
７０～７０ｅ ダイバータ４６又はダイバータカセット５１を冷却する冷却配管（ＣＯ２配管）
７１～７１ｅ 配管部分
７２～７２ｅ 表面プレート
７３ 配管部分を流れる超臨界ＣＯ２
７４ａ～７４ｅ 入口マニホルド
７５ａ～７５ｅ 出口マニホルド
８０ タワー
８１ 発電部
８２ 集熱部より加熱された溶融塩を循環させる配管
８３ ヘリオスタット
８４ 高温溶融塩タンク
８５ 低温溶融塩タンク
８６ 熱交換器
９０ ＣＯ分離回収炉
１００，１０１，１０２，１０３，１０４ 電力水素併産システム
２～２ｇ 超臨界ＣＯ２分解部（ＣＯ２配管）
３～３ｇ 水性ガスシフト反応部
４～４ｇ 第１の循環経路
５～５ｄ 熱源
６～６ｄ 放射線源
７～７ｄ １つの源（熱源及び放射線源）、原子力発電炉、核融合発電炉
８ 第１の分離部
９ 第２の分離部
１０～１０ｇ 第２の循環経路
１１ 超臨界化機構
１２、１２ａ、１２ｂ 熱源（高温度域）、太陽光発電の集熱部、マグマ層
１３ 放射線源
１４ １つの源（高温度域の熱源及び放射線源）
２０ 高レベル放射性廃棄物を収納した収納管
２１ ガラス固化体
２２ 高レベル放射性廃棄物の施設
３０ 原子力発電炉の炉心
３１ 溶融塩循環経路
３２ モータ付きポンプ
３３ 第２の配管
３４ 遮蔽シールド
３５ 発電装置
３６ ガスタービン部
４０ プラズマ真空容器
４１ 超伝導ヘリカルコイル
４２ 超伝導ポロイダルコイル
４３ 電磁力支持構造
４４ クライオスタット（断熱真空容器）
４５ ブランケット
４６ ダイバータ
４７ 放射線・中性子増倍材
４８ 超臨界ＣＯ２の入口配管
４９ 超臨界ＣＯ２の出口配管
５０ 炉心プラズマ
５１ ダイバータカセット
５２ プラズマ真空容器４０のための冷却水配管
５３ 配管接続部
５５ 熱交換器
５６ 入口配管
５７ 出口配管
５８ 入口ポート
５９ 出口ポート
６０ 超臨界ＣＯ２を用いた発電装置
６１ 主熱交換器
６２ 低圧コンプレッサ
６３ 高圧コンプレッサ
６４ バイパスコンプレッサ
６５ ガスタービン
６６ 発電機
６７ａ 第１の再生熱交換器
６７ｂ 第２の再生熱交換器
６７ｃ 前置冷却器
６８ 中間冷却器
６９ 溶融塩の循環経路
７０～７０ｅ ダイバータ４６又はダイバータカセット５１を冷却する冷却配管（ＣＯ２配管）
７１～７１ｅ 配管部分
７２～７２ｅ 表面プレート
７３ 配管部分を流れる超臨界ＣＯ２
７４ａ～７４ｅ 入口マニホルド
７５ａ～７５ｅ 出口マニホルド
８０ タワー
８１ 発電部
８２ 集熱部より加熱された溶融塩を循環させる配管
８３ ヘリオスタット
８４ 高温溶融塩タンク
８５ 低温溶融塩タンク
８６ 熱交換器
９０ ＣＯ分離回収炉
１００，１０１，１０２，１０３，１０４ 電力水素併産システム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
