(57)【要約】【課題】煩雑な不純物捕獲部の再生処理を不要としたり、再生処理の頻度を低減できるコールドトラップを提供する。【解決手段】液体金属ナトリウムの流路中に不純物捕獲用のメッシュ充填物を配置してなるナトリウム浄化装置において、液体金属ナトリウムの流れ方向に少なくとも２層のメッシュ充填物１３，１４を配置し、これら各層のメッシュ充填物のメッシュ格子長をａ、素線径をｂ、これら各値の差を（ａ−ｂ）としたとき、液体金属ナトリウムの流れ方向の下流側には、液体金属ナトリウムの流れ方向の上流側に配置されるメッシュ充填物よりも（ａ−ｂ）の値が小さいメッシュ充填物を配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体金属ナトリウムの流路中に不純物捕獲用のメッシュ充填物を配置してなるナトリウム浄化装置において、前記液体金属ナトリウムの流れ方向に少なくとも２層のメッシュ充填物を配置し、これら各層のメッシュ充填物のメッシュ格子長をａ、素線径をｂ、これら各値の差を（ａ−ｂ）としたとき、前記液体金属ナトリウムの流れ方向の下流側には、前記液体金属ナトリウムの流れ方向の上流側に配置されるメッシュ充填物よりも（ａ−ｂ）の値が小さいメッシュ充填物を配置することを特徴とするナトリウム浄化装置。
【請求項２】
前記液体金属ナトリウムの流れ方向の上流側に配置されるメッシュ充填物の（ａ−ｂ）が４ｍｍ以上で、前記液体金属ナトリウムの流れ方向の下流側に配置されるメッシュ充填物の（ａ−ｂ）が１ｍｍ以上４ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１記載のナトリウム浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速増殖炉に備えられるコールドトラップと呼ばれるナトリウム浄化装置に係り、特に、液体金属ナトリウム中に含まれる不純物を捕獲する不純物捕獲部の長寿命化を図る手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷却材として液体金属ナトリウムを用いる高速増殖炉には、コールドトラップと呼ばれるナトリウム浄化装置が備えられている。この装置は、液体金属ナトリウム中に溶解している不純物を、温度による飽和溶解度の差を利用して析出し、低温部に充填されたメッシュ（金網）やエキスパンドメタル等のメッシュ充填物からなる不純物捕獲部で捕獲する精製機器である（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
図８は、従来知られているこの種のコールドトラップの一例を示す図である。この図から明らかなように、本例のコールドトラップは、円筒容器状に形成された胴体１０の内部に、上部管板２１及び下部管板２２と、これらの各管板２１，２２に貫通保持され、胴体１０の内壁に沿って配列された多数の冷却管１８と、これら冷却管１８の配設位置よりも内周側においてこれと同心に配列された断熱ガス層１５と、この断熱ガス層１５の配設位置よりも内周側においてこれと同心に配列された不純物捕獲部１２と、胴体１０の上部及び上部管板２１を貫通し、胴体１０内に設けられた冷却部１１と連通するナトリウム入口配管１９と、胴体１０の上部及び上部管板２１を貫通し、不純物捕獲部１２と連通するナトリウム出口配管２０と、胴体１０の下部に設けられた冷却ガス入口配管１６と、胴体１０の上部に設けられた冷却ガス出口配管１７とから主に構成されている。
【０００４】
被精製物である液体金属ナトリウムは、ナトリウム入口配管１９から胴体１０内に流入し、冷却部１１を通って流下する。一方、冷却ガスは、冷却ガス入口配管１６から胴体１０内に入り、周辺に多数並設された冷却配管１８を通って上昇する。この過程で流下してくる液体金属ナトリウムとの間で熱交換が行われ、温められた冷却ガスは更に上昇して冷却ガス出口配管１７から流出する。冷却部１１において冷却された液体金属ナトリウムは、下部管板２２でその流向が反転されて不純物捕獲部１２を通り、そこで不純物が析出除去される。精製されたナトリウムは、ナトリウム出口配管２０を通って流出する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
かかる構成を有するコールドトラップは、運転を続けて行くと、不純物捕獲部１２が不純物によって目詰まりするため、液体金属ナトリウムの入口側と出口側の差圧が上昇して、液体金属ナトリウムの円滑な流れが妨げられる。このため、前記差圧が所定の値以上になった場合には、例えば特許文献２に開示されている再生方法等を用いた不純物捕獲部の再生処理が必要となる。
【特許文献１】特開昭６２−１９１００２号公報
【特許文献２】特願昭５６−１３３６１０号公報
【非特許文献１】堀田雅夫監修、基礎高速炉工学編集委員会編「基礎高速炉工学」（日刊工業新聞社、１９９３年１０月２９日、ｐ６８〜６９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、不純物捕獲部の再生処理は、操作が煩雑で多大の労力を要すると共に、二次廃棄物が発生するという問題もある。したがって、不純物捕獲部の再生処理を不要にしたり、その頻度を低減できる技術の開発が望まれている。
【０００７】
不純物捕獲部の再生処理を不要にしたり、その頻度を低減するためには、差圧や不純物の捕獲量及び除去率の問題を犠牲にすることなく、メッシュ充填物からなる不純物捕獲部の長寿命化を図る必要がある。
【０００８】
本発明は、かかる要請に基づいてなされたものであり、その目的は、煩雑な不純物捕獲部の再生処理を不要としたり、再生処理の頻度を低減できるコールドトラップを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の目的を達成するため、液体金属ナトリウムの流路中に不純物捕獲用のメッシュ充填物を配置してなるナトリウム浄化装置において、前記液体金属ナトリウムの流れ方向に少なくとも２層のメッシュ充填物を配置し、これら各層のメッシュ充填物のメッシュ格子長をａ、素線径をｂ、これら各値の差を（ａ−ｂ）としたとき、前記液体金属ナトリウムの流れ方向の下流側には、前記液体金属ナトリウムの流れ方向の上流側に配置されるメッシュ充填物よりも（ａ−ｂ）の値が小さいメッシュ充填物を配置するという構成にした。
【００１０】
メッシュやエキスパンドメタル等のメッシュ充填物の実効的な空間量は、メッシュ格子長ａと素線径ｂとをもって表すことができる。そして、本願発明者らの実験によると、メッシュ格子長ａと素線径ｂの差（ａ−ｂ）が大きいほど、不純物の捕獲量は増加するが、不純物の除去率は小さくなり、反対に、その差（ａ−ｂ）が小さいほど、不純物の除去率は増加するが、不純物の捕獲量は小さくなる。そこで、液体金属ナトリウムの流れ方向の上流側に（ａ−ｂ）の値が大きいメッシュ充填物を配置し、下流側に（ａ−ｂ）の値が小さいメッシュ充填物を配置すると、不純物の捕獲量及び除去率が高く、かつ目詰まりしにくい不純物捕獲部とすることができる。よって、不純物捕獲部を長寿命化することができ、不純物捕獲部の再生処理を不要にしたり、その頻度を低減できて、不純物捕獲部の再生処理に要する労力の省略又は軽減と、不純物捕獲部の再生処理に伴って発生する二次廃棄物の解消又は低減を図ることができる。
【００１１】
また、前記構成のナトリウム浄化装置において、前記液体金属ナトリウムの流れ方向の上流側に配置されるメッシュ充填物の（ａ−ｂ）が４ｍｍ以上で、前記液体金属ナトリウムの流れ方向の下流側に配置されるメッシュ充填物の（ａ−ｂ）が１ｍｍ以上４ｍｍ未満であるという構成にした。
【００１２】
実験によると、メッシュ格子長ａと素線径ｂの差（ａ−ｂ）を４ｍｍ以上とすることにより、１００ｋｇ以上の酸素を捕獲できると共に、その差（ａ−ｂ）を１ｍｍ以上４ｍｍ未満とすることにより、約９０％以上の酸素を除去することができる。よって、上流側に配置されるメッシュ充填物の（ａ−ｂ）を４ｍｍ以上、下流側に配置されるメッシュ充填物の（ａ−ｂ）を１ｍｍ以上４ｍｍ未満とすることにより、不純物の捕獲量及び除去率が高く、かつ目詰まりしにくい不純物捕獲部とすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のナトリウム浄化装置は、液体金属ナトリウムの流れ方向に少なくとも２層のメッシュ充填物を配置し、これら各層のメッシュ充填物のメッシュ格子長をａ、素線径をｂ、これら各値の差を（ａ−ｂ）としたとき、液体金属ナトリウムの流れ方向の下流側に、液体金属ナトリウムの流れ方向の上流側に配置されるメッシュ充填物よりも（ａ−ｂ）の値が小さいメッシュ充填物を配置するので、不純物の捕獲量及び除去率が高く、かつ目詰まりしにくい不純物捕獲部とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
まず、実施形態に係るナトリウム浄化装置（コールドトラップ）の構成を、図１を用いて説明する。図１は実施形態に係るナトリウム浄化装置の断面図である。
【００１５】
実施形態に係るコールドトラップも、図８に示した従来例に係るコールドトラップと、基本的な構成については同一であり、図１に示すように、円筒容器状に形成された胴体１０の内部に、上部管板２１及び下部管板２２と、これらの各管板２１，２２に貫通保持され、胴体１０の内壁に沿って配列された多数の冷却管１８と、これら冷却管１８の配設位置よりも内周側においてこれと同心に配列された断熱ガス層１５と、胴体１０の上部及び上部管板２１を貫通し、胴体１０内に設けられた冷却部１１と連通するナトリウム入口配管１９と、胴体１０の上部及び上部管板２１を貫通し、不純物捕獲部１２と連通するナトリウム出口配管２０と、胴体１０の下部に設けられた冷却ガス入口配管１６と、胴体１０の上部に設けられた冷却ガス出口配管１７とを有している。
【００１６】
実施形態に係るコールドトラップと従来例に係るコールドトラップとの相違は、従来例に係るコールドトラップが、断熱ガス層１５の内周側に１層の不純物捕獲部１２を備えるのに対して、実施形態に係るコールドトラップは、断熱ガス層１５の内周側に第１不純物捕獲部１３と第２不純物捕獲部１４の２層を備えていることにある。第１不純物捕獲部１３は、液状金属ナトリウムの流れ方向に関して上流側に配置される不純物捕獲部であり、第２不純物捕獲部１４は、液状金属ナトリウムの流れ方向に関して下流側に配置される不純物捕獲部である。
【００１７】
第１及び第２の不純物捕獲部１３，１４は、メッシュ（金網）やエキスパンドメタル等のメッシュ充填物をもって形成される。エキスパンドメタルは、面方向に多数の切り込みを規則的に入れた金属板を板厚方向に引き延ばしたものであり、メッシュと同様に、切り込み部分に規則性をもった空隙が形成される。
【００１８】
これら第１及び第２の不純物捕獲部１３，１４を構成するメッシュ充填物のメッシュ格子長をａ、素線径をｂ、これら各値の差を（ａ−ｂ）としたとき、第２の不純物捕獲部１４を構成するメッシュ充填物としては、第１の不純物捕獲部１３を構成するメッシュ充填物よりも、（ａ−ｂ）の値が小さいものが用いられる。
【００１９】
ナトリウム出口配管２０は、第２不純物捕獲部１４と連通するように、その上部に接続される。
【００２０】
本例のコールドトラップは、被精製液体金属ナトリウムがナトリウム入口配管１９から胴体１０内に流入し、周辺の冷却部１１を通って流下する。一方、冷却ガスは冷却ガス入口配管１６から胴体１０内に入り、周辺に多数並設された冷却配管１８を通って上昇する。この過程で流下してくる液体金属ナトリウムとの間で熱交換が行われ、温められた冷却ガスは更に上昇して冷却ガス出口配管１７から流出する。冷却部１１において冷却された液体金属ナトリウムは、下部管板２２でその流向が反転されて第１不純物捕獲部１３を通り、そこで不純物が析出除去され、さらに、第２不純物捕獲部１４を通り、そこでも不純物が析出除去される。精製されたナトリウムはナトリウム出口配管２０を通って流出する。
【００２１】
以下、本実施形態に係る第１不純物捕獲部１３及び第２不純物捕獲部１４の仕様を、図２乃至図７に基づいて説明する。これらの仕様は、実際のプラントデータ等によって妥当性が確認された計算コードを用いた以下の検討によって見出されたものである。
【００２２】
図２に示すように、不純物捕獲部１３，１４を構成するメッシュ充填物は、ワイヤで囲まれた立方体としてモデル化できる。基本的には、このモデルから算出される素線全長と、メッシュの充填密度、ワイヤの密度、ワイヤの径から計算されるワイヤの体積割合の式を用いて解く。
【００２３】
具体的には、ワイヤの単位体積あたりの全長をＡとすると、図２に示すモデルから、１格子当たり３辺分のワイヤがあればよいので、次式で表される。
【００２４】
Ａ ≒格子一つ当たりワイヤ長さ×単位体積あたりの格子の個数≒３・Ｌ／Ｌ３
一方、メッシュの充填密度をワイヤの密度で除して求められるワイヤの体積割合Ｖは、次式で表される。
【００２５】
Ｖ＝π／４・Ｄ２・Ａ＝３／４・π・（Ｄ／Ｌ）２
さらに、格子の交点部分のワイヤの重なり合いを考慮すると、ワイヤの体積割合Ｖは、次式で表される。
【００２６】
Ｖ≒３／４・π・（Ｄ／Ｌ）２−１．８／４・π・（Ｄ／Ｌ）３
上式より、格子長Ｌを求めることができる。
【００２７】
また、図２に示すように、液体金属ナトリウム中の不純物である酸素Ｏや水素Ｈは、外部境膜を拡散し、ワイヤ(素線)または沈殿物を核として析出する。ワイヤ上の沈殿物量は、時間の経過とともに増加し、ワイヤの線径が見掛け上大きくなる。線径が、格子長さＬに近づくと、差圧が上昇して液体金属ナトリウムが透過できなくなる。
【００２８】
次に、計算モデルを用いて、差圧が上昇するまでの不純物捕獲量と、除去率の計算を行った。ここでは、２つの線径のメッシュの充填密度を変えて、計算を行った。図３及び図５は、計算結果を充填密度で整理したデータであり、図４及び図６は、実効的な空間量を表す「格子長ａ−素線径ｂ」で整理したデータである。図４及び図６に示すように、「格子長ａ−素線径ｂ」で整理すると、不純物捕獲量及び除去率ともに、良い直線関係が得られ、液体金属ナトリウム中から不純物を除去する系において、「格子長ａ−素線径ｂ」で整理できることを見出した。
【００２９】
図４から明らかなように、不純物捕獲量は、「格子長ａ−素線径ｂ」が大きくなるほど増加する。これに対して、図６から明かなように、不純物除去率は、「格子長ａ−素線径ｂ」が大きくなるほど小さくなる。したがって、従来のコールドトラップでは、不純物捕獲量がほぼ０となる領域を除くため、「格子長ａ−素線径ｂ」が１ｍｍ以上４ｍｍ未満の領域を使用している。
【００３０】
上述のように、本実施形態に係るコールドトラップは、不純物捕獲部を２領域に分け、「格子長ａ−素線径ｂ」が４ｍｍを超えるメッシュ充填物を充填した第１層と、１ｍｍ以上４ｍｍ未満のメッシュ充填物を充填した第２層とを形成している。
【００３１】
図７に、本実施形態に係るコールドトラップと従来例に係るコールドトラップにおける差圧と不純物捕獲量との関係を示す。
【００３２】
従来例としては、素線径０．２９４ｍｍのメッシュを、充填密度１００ｋｇ／ｍ３となるように、外径が１０００ｍｍで内径が直径１７．３ｍｍの中空円柱状の不純物捕獲部に充填した。このときの「格子長ａ−素線径ｂ」は、３．８ｍｍである。これに対して、実施形態に係るコールドトラップは、まず第１不純物捕獲部１３として、素線径１．０ｍｍのメッシュを充填密度４００ｋｇ／ｍ３となるように、上述の不純物捕獲部に直径１０００ｍｍから８００ｍｍまで円柱状に充填した。その後、第２不純物捕獲部１４として、従来例と同じ素線径０．２９４ｍｍのメッシュを充填密度１００ｋｇ／ｍ３となるように充填した。この時、第1不純物捕獲部１３の「格子長ａ−素線径ｂ」は、５．４６ｍｍであり、本発明の４ｍｍを超える条件を満たしている。図７からわかるように、実施形態に係るコールドとラップの酸素捕獲量は、約１９４ｋｇとなり、従来例に係るコールドとラップの酸素捕獲量である約９２ｋｇの２倍以上となる。
【００３３】
よって、本実施形態に係るコールドトラップは、従来例に係るコールドとラップに比べて２倍以上の長期間にわたって不純物を捕獲することができる。
【００３４】
なお、本実施形態では、液体金属ナトリウムを、円柱状の不純物捕獲部１３，１４の側面方向から流入させているが、これは、円柱の上面や下面から流入させる方法に比べて、流入面積を大きくできるため、差圧上昇を穏やかにでき、本発明の目的には、好適である。
【００３５】
また、本実施形態では、素線径０．２９４ｍｍと素線径１．０ｍｍのメッシュを用いているが、他の素線径でも良い。素線径は太いほど、差圧上昇時の圧力によるメッシュ充填部の圧密が少なく、圧密によって差圧上昇が加速されることを防止できる。
【００３６】
さらに、前記実施形態においては２層の不純物捕獲部１３，１４を備えたが、３層以上の不純物捕獲部を備えることもできる。
【００３７】
本実施形態に係るコールドトラップは、ＦＢＲに適用可能であるばかりでなく、金属ナトリウム製造ラインへの適用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施形態に係るコールドトラップの構造図である。
【図２】不純物捕獲メカニズムを示した図である。
【図３】捕獲量とメッシュ充填密度の関係を示した図である。
【図４】捕獲量と「充填物のメッシュ格子長−素線径」の関係を示した図である。
【図５】除去率とメッシュ充填密度の関係を示した図である。
【図６】除去率と「充填物のメッシュ格子長−素線径」の関係を示した図である。
【図７】本発明の一実施例による差圧上昇と捕獲量の関係を示した図である。
【図８】従来例のコールドトラップの構造図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０    胴体
１１    冷却部
１３    第１不純物捕獲部
１４    第２不純物捕獲部
１５    断熱ガス層
１６    冷却ガス入口配管
１７    冷却ガス出口配管
１８    冷却管
１９    ナトリウム入口配管
２０    ナトリウム出口配管、
【図１】
2010019592.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010019592.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010019592.tif 000007
【図６】
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【図７】
2010019592.tif 000009
【図８】
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