(57)【要約】【課題】低酸素状態であっても雰囲気から水素を安定かつ効率良く除去できる水素除去装置を提供する。【解決手段】水素除去装置１０は、密閉容器１３の壁面に接続する第１連通路１１及び第２連通路１２と、この密閉容器１３の第１内部空間２１を介して第１連通路１１に通じる入力端１４及びその第２内部空間２２を介して第２連通路１２に通じる出力端１５を有する複数のガス処理路１６（１６ａ，１６ｂ）と、このガス処理路１６に配置されるとともに通過するガスに含まれる水素と化学反応して還元される金属酸化物１７（１７ａ，１７ｂ）と、を備えている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器の壁面に接続する第１連通路及び第２連通路と、
前記密閉容器の第１内部空間を介して前記第１連通路に通じる入力端及びその第２内部空間を介して前記第２連通路に通じる出力端を有する複数のガス処理路と、
前記ガス処理路に配置されるとともに通過するガスに含まれる水素と化学反応して還元される金属酸化物と、を備えることを特徴とする水素除去装置。
【請求項２】
前記第１連通路は、前記第２内部空間を貫通し前記第１内部空間に先端が開口している請求項１に記載の水素除去装置。
【請求項３】
前記複数のガス処理路は、前記ガスが全て同じ方向に通過するよう配置される請求項１又は請求項２に記載の水素除去装置。
【請求項４】
前記金属酸化物は、収納容器を介して前記ガス処理路に配置される請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水素除去装置。
【請求項５】
前記複数のガス処理路は、前記第１連通路の先端開口から離れているものの断面積が大きく形成されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水素除去装置。
【請求項６】
前記収納容器は、多孔質体からなる請求項４又は請求項５に記載の水素除去装置。
【請求項７】
前記金属酸化物の上部周縁から内側上方に傾斜する水分捕捉プレートを備える請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の水素除去装置。
【請求項８】
前記ガス処理路の入力端の温度変化に伴ってその開口面積を変化させる絞り機構を備える請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の水素除去装置。
【請求項９】
前記ガス処理路の出力端から排出された蒸気を回収する回収口を有しこの回収した蒸気を前記密閉容器の上部内面に沿って案内する案内路を備える請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の水素除去装置。
【請求項１０】
前記案内路は、前記回収口の反対端が前記ガス処理路の入力端近傍まで延長される請求項９に記載の水素除去装置。
【請求項１１】
前記第１連通路は、前記第１内部空間において前記複数のガス処理路の前記入力端に向けてガスを分散して噴出させる噴出孔を有する請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の水素除去装置。
【請求項１２】
前記ガスを通過させる開口を有しこの開口に連通するように前記金属酸化物を収納した収納容器を設置した設置棚が複数段設けられている請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の水素除去装置。
【請求項１３】
前記複数のガス処理路は、水平方向に放射状に前記ガスが通過するように配置される請求項１，４，６，８，９，１１のいずれか１項に記載の水素除去装置。
【請求項１４】
前記第１連通路は、前記第１内部空間を形成する前記密閉容器の壁面に接続する請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の水素除去装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスに含まれる水素を除去する水素除去装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所における原子炉格納容器は、原子炉の万が一の事故に備えて、その内部に可燃性ガスの濃度制御システムを有している。仮に、主蒸気管等の一次冷却系配管が破断したとすると、高温・高圧の一次冷却材が放出され、原子炉格納容器内部の圧力・温度が急激に上昇することになる。
【０００３】
このような事象の下において、原子炉内で冷却材として使用される水は、放射線により水素ガスと酸素ガスに分解される。さらに、原子炉内の燃料被覆管の温度が上昇する場合には、水蒸気と燃料被覆管材料のジルコニウムとの間で反応が起こり（以下、Metal−Water反応という）、短時間で水素ガスが大量に発生する。
【０００４】
このようにして発生した水素ガスは、破断した配管の破断口等から冷却材と共に原子炉格納容器内に放出され、水素ガス濃度を上昇させるとともに内部圧力も上昇させる。このような状態を放置して、水素ガス濃度が４ｖｏｌ％かつ酸素濃度が５ｖｏｌ％以上に到達すると、可燃限界濃度を越えて、原子炉格納容器の内部は可燃状態となる。さらに、水素ガス濃度が上昇すると過剰反応の発生する可能性が高まる。
【０００５】
このような水素ガス濃度の上昇に対して原子力発電設備では、原子炉格納容器内の雰囲気を窒素ガスで置換して酸素濃度を低く維持する対策をとっている。これによれば、原子炉格納容器の内部雰囲気が可燃性になることを防止して安全性が確保される。
このように、原子炉格納容器内は窒素により不活性化されているため、Metal-Water反応によって水素が大量に発生した場合であっても、その内部雰囲気が直ちに可燃限界に達することはない。
【０００６】
しかし、大量の水素が発生したときには、原子炉格納容器の過圧要因になり得る。さらに、復旧作業によって事故が収束に向かった場合であっても、原子炉格納容器内に大量の水素が依然として残留することになり、内部雰囲気を外部環境に放出する以外、この大量水素を処理する手立てがない。
従って、苛酷事故が発生した場合、原子炉格納容器の内部雰囲気が可燃限界に到達することを防止することに加え、さらに過圧防護又は事故後の内部雰囲気を制御するために発生水素を除去する要請がある。
【０００７】
ところで、水素ガス濃度の上昇の抑制又は濃度を低下させる従来技術として、内部雰囲気に存在する水素ガスと酸素ガスを昇温操作や触媒作用により反応させて水に戻す技術がある。しかし、この技術ではMetal-Water反応によって酸素よりも化学量論的に過剰に発生した水素を除去することができない。
【０００８】
そこで、Metal-Water反応で発生した過剰の水素を効率的に除去するシステムとして、アンモニア合成手段によって窒素と水素を反応させて水素を除去する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、原子炉格納容器内の雰囲気を吸引し、化学量論的に不足している酸素を酸素ボンベ等によって補充して水素ガスを水に化学変化させ、残余ガスを原子炉格納容器内に戻す方法も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−３３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１の発明において、水素と窒素の反応触媒として典型的なＲｕ系触媒は、水蒸気によって活性が低下することが知られている。このため苛酷事故時に、原子炉格納容器の内部雰囲気に存在する大量の水蒸気が、Ｒｕ系触媒層に直接導かれ、触媒活性を著しく損なうといった課題があった。
【００１１】
また、化学量論的に不足する酸素を外部から酸素ボンベを用いて供給する技術は、水素濃度に見合う酸素量を水生成に過不足無く供給する必要があった。つまり、酸素の供給量が不足すると充分な水素濃度の低減効果が得られず、過剰であると未反応酸素が内部雰囲気に滞留し可燃性限界に到達する恐れがある。
このために、事故条件によって相違する内部雰囲気の水素濃度に合わせて、供給する酸素量を調整しなければならない課題があった。
【００１２】
本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、低酸素状態であっても雰囲気から水素を安定かつ効率良く除去できる水素除去装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
水素除去装置において、密閉容器の壁面に接続する第１連通路及び第２連通路と、前記密閉容器の第１内部空間を介して前記第１連通路に通じる入力端及びその第２内部空間を介して前記第２連通路に通じる出力端を有する複数のガス処理路と、前記ガス処理路に配置されるとともに通過するガスに含まれる水素と化学反応して還元される金属酸化物と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の実施形態により、低酸素状態であっても雰囲気から水素を安定かつ効率良く除去できる水素除去装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明が適用される沸騰水型原子炉の縦断面図。
【図２】（Ａ）本発明の第１実施形態を示す水素除去装置の縦断面図、（Ｂ）その水平断面図。
【図３】（Ａ）本発明の第２実施形態を示す水素除去装置の部分断面図、（Ｂ）その詳細図。
【図４】本発明の第３実施形態及び第４実施形態を示す水素除去装置の縦断面図。
【図５】（Ａ）本発明の第５実施形態及び第６実施形態を示す水素除去装置の縦断面図、（Ｂ）その水平断面図。
【図６】（Ａ）本発明の第７実施形態を示す水素除去装置の縦断面図、（Ｂ）その水平断面図。
【図７】（Ａ）本発明の第８実施形態を示す水素除去装置の縦断面図、（Ｂ）その水平断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１を参照して、本発明に係る水素除去装置１０が適用される沸騰水型原子炉１を説明する。
原子炉格納容器２は、炉心３を内蔵する原子炉圧力容器４を格納する。この原子炉格納容器２は、原子炉圧力容器４を包囲する上部ドライウェルＵ、下部ドライウェルＬ及びウェットウェルＷより構成される。
【００１７】
このウェットウェルＷは、ベント管５を介して上部ドライウェルＵに連絡し、貯蔵水を蓄えるサプレッションプールＰが形成されている。また、原子炉圧力容器４の外側面は、生体遮蔽壁６により包囲されている。
さらに、上部ドライウェルＵとウェットウェルＷにそれぞれ１台ずつ水素除去装置１０（１０ａ，１０ｂ）が配置されている。
【００１８】
水素除去装置１０ａは、原子炉格納容器２の内部に静的に配置され、その周辺雰囲気に含まれる水素を除去する。
水素除去装置１０ｂは、制御弁８、ブロア及び配管を介して原子炉格納容器２の外部に接続され、その内部ガスを動的に吸引して水素を除去する。
【００１９】
この原子炉圧力容器４に接続する主蒸気管７等の一次冷却系配管が万が一破断した場合、上部ドライウェルＵに高温・高圧の冷却材（水、水蒸気）が放出され、上部ドライウェルＵの圧力・温度が急激に上昇する。そして、この圧力・温度の上昇を抑制するために格納容器スプレイ９が動作する。
この上部ドライウェルＵに放出された高温・高圧の冷却材は、上部ドライウェルＵの気体と混合して、ベント管５を経由してサプレッションプールＰに蓄えられる貯蔵水で冷却される。このように、苛酷事故が発生して、原子炉圧力容器４から放出された熱エネルギーの多くは、このサプレッションプールＰ内の貯蔵水に吸収される。
【００２０】
そして、サプレッションプールＰに蓄積される貯蔵水が、非常用炉心冷却系（図示略）により原子炉圧力容器４に注入され、炉心３を冷却する。この注入された貯蔵水は、長期的には炉心３から崩壊熱を吸収し、破断した配管の破断口から上部ドライウェルＵに流出する。
このように、一次冷却系配管が破断するといった苛酷事故が万が一発生した場合は、上部ドライウェルＵの圧力・温度は常にウェットウェルＷよりも高い状態となり、ベント管５を経由して水蒸気とガスがウェットウェルＷに移動する。
【００２１】
そして、一次冷却材として使用される水は、放射線により水素ガスと酸素ガスに分解される。さらに、炉心３の燃料被覆管の温度が上昇する場合には、水蒸気と燃料被覆管材料のジルコニウムとの間でMetal−Water反応が起こり、短時間で水素ガスが大量に発生する。
【００２２】
このようにして発生した水素ガスは、破断した配管の破断口等から冷却材と共に原子炉格納容器２の内部に放出され、上部ドライウェルＵ及びウェットウェルＷにおける水素ガス濃度を上昇させるとともに内部圧力も上昇させる。
すると、水素除去装置１０（１０ａ，１０ｂ）が自動的に起動して、上昇した水素ガス濃度及び内部圧力を低下させる。
【００２３】
図２に示すように第１実施形態の水素除去装置１０は、密閉容器１３の壁面に接続する第１連通路１１及び第２連通路１２と、この密閉容器１３の第１内部空間２１を介して第１連通路１１に通じる入力端１４及びその第２内部空間２２を介して第２連通路１２に通じる出力端１５を有する複数のガス処理路１６（１６ａ，１６ｂ）と、このガス処理路１６に配置されるとともに通過するガスに含まれる水素と化学反応して還元される金属酸化物１７（１７ａ，１７ｂ）と、を備えている。
【００２４】
密閉容器１３は、その内部に配置される金属酸化物１７を交換することができるように分離可能な構造を有し、さらに過酷事故が発生時の環境を想定した十分な耐圧性・耐食性も有している。
【００２５】
第１連通路１１の基端は、水素含有ガス２４を水素除去装置１０の内部に取り込む入口であり、第２内部空間２２を貫通し第１内部空間２１に先端開口２３が形成される。
第２連通路１２は、水素含有ガス２４をガス処理路１６に通過させた後の水蒸気含有ガス２５を水素除去装置１０の外部に排出するものである。
【００２６】
複数のガス処理路１６（１６ａ，１６ｂ）は、入力端１４から出力端１５まで通過するガスが全て同じ方向を向くよう配置されている。
これらガス処理路１６は、流路形成部材２６に設けられている。
この流路形成部材２６は、第１内部空間２１から第２内部空間２２にガスが通過する場合、ガス処理路１６を必ず通過するように密閉容器１３の内部を分断する。
そして、ガス処理路１６の入力端１４は、第１内部空間２１を介して第１連通路１１に通じ、その出力端１５は、第２内部空間２２を介して第２連通路１２に通じている。
【００２７】
金属酸化物１７は、このガス処理路１６に配置されるとともに、通過するガスに含まれる水素と化学反応し、次の式（１）に示すように還元されて水を生成する。
ＭmＯn ＋ ｎＨ2  → ｍ・Ｍ ＋ ｎ・Ｈ2Ｏ    （１）
【００２８】
この反応は、一般に発熱を伴うので、水素含有ガス２４及び水蒸気含有ガス２５の上昇気流を生じさせることに寄与する。
このような金属酸化物１７として、酸化マグネシウムが用いられるが、特に限定はなく、例えば過酸化マンガン（ＭｎmＯn等）、酸化コバルト（ＣｏmＯn）、酸化銅（ＣｕＯ）等の金属化酸化物または金属過酸化物を用いてもよい。複数の酸化数を取り得る金属酸化物のうち高次の酸化数を持つものが好適に選択される。
【００２９】
また、金属酸化物１７は、比表面積が大きくなるよう、またガスの通過抵抗が小さくなるように適正な大きさに造粒されたものが好適に使用される。
そのように造粒された金属酸化物１７は、収納容器１８（１８ａ，１８ｂ）に収容されてガス処理路１６に配置される。
【００３０】
この収納容器１８は、一つのガス処理路１６において、単段で配置される場合や、複数段で配置される場合がある（図示は二段）。また、収納容器１８の水平断面形状は、限定されることはなく、図示のような円形の他に矩形等も取り得る。
この収納容器１８は、金属酸化物１７を保持しつつガスを流通させるために、筒状体の少なくとも下端をメッシュ体で封止した構成をとる。
【００３１】
さらに、収納容器１８の筒状体を、多孔質体で構成することにより、上記式（１）で生成した水分をトラップすることができる。
水分の存在は、上記式（１）の化学反応の進行を妨げることが知られているために、水蒸気含有ガス２５の進行方向からそれる方向に水分を除去し、上記式（１）の化学反応を促進することができる。
また、図示略とするがガス処理路１６の内周面も多孔質体で形成することにより生成した水分の除去効果をさらに向上させ、上記式（１）の化学反応をさらに促進させることができる。
【００３２】
複数のガス処理路１６（１６ａ，１６ｂ）のうち、第１連通路１１の先端開口２３から離れているガス処理路１６ａの方が、先端開口２３に近いガス処理路１６ｂよりも断面積が大きく形成されている。
それぞれのガス処理路１６の断面積は、それぞれのガス流路における圧力損失の割合に基づいて計算され、水素含有ガス２４の流速がそれぞれのガス処理路１６（１６ａ，１６ｂ）において均一になるよう決定される。
【００３３】
以上述べた構成に基づいて、密閉容器１３の内部に設けた金属酸化物１７の全体にわたり均一に上記式（１）の反応を生じさせることができる。
これにより、水素除去装置１０による雰囲気の水素除去効果を、高レベルでかつ長時間にわたり持続させることができる。
また、水素除去装置１０の水素除去効果が低下した場合、新しい金属酸化物１７の交換が容易な構成となっている。
【００３４】
（第２実施形態）
第２実施形態の水素除去装置は、図３に示すように金属酸化物１７の上部周縁から内側上方に傾斜する水分捕捉プレート３１を備えていることを除いては、第１実施形態の場合と同じである。
【００３５】
この水分捕捉プレート３１が存在することにより、図３（Ｂ）に示すように、上昇する水蒸気含有ガス２５に含まれる水蒸気の一部が凝縮して水滴３２となり、重力に従ってその表面を伝って下方に移動する。
収納容器１８の内周面に到達した水滴３２は、そのままこの内周面を伝ってさらに下方に移動する。この場合、この水滴３２が金属酸化物１７の全体に拡散することがないために、全体として式（１）の化学反応の進行が妨げられることがない。
【００３６】
（第３実施形態）
図４に示すように第３実施形態の水素除去装置１０は、ガス処理路の入力端１４の温度変化に伴ってその開口面積を変化させる絞り機構３３を備えている。
なお、図４において図２と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【００３７】
絞り機構３３は、例えば温度に対して可逆的に変形する形状記憶合金等の素材で作成することができる。例えば、低温では下方に垂下された板状で、高温になるにつれて折れ曲がっていき入力端１４を部分的に塞ぐように形状記憶合金を設ける。入力端１４の開口面積を絞るのであって完全に塞ぐ必要はない。また、絞られた後の開口位置によって流れが偏らないように、形状記憶合金に孔を複数設けてもよい。
これにより、式（１）の化学反応が過度に進行して高温になった際に、ガス処理路の入力端１４の開口面積を絞り圧損を増加させ、水素含有ガス２４の流入を抑え、この化学反応を抑制することができる。
【００３８】
（第４実施形態）
図４に示すように第４実施形態の水素除去装置１０は、ガス処理路の出力端１５から排出された水蒸気含有ガス２５を回収する回収口３５を有しこの回収した水蒸気含有ガス２５を密閉容器１３の上部内面に沿って案内する案内路３４を備えている。
【００３９】
密閉容器１３の壁面は、水素含有ガス２４が反応しているその内部と比較して低温に設定されている。このため、その上部壁面３６において水蒸気含有ガス２５が凝縮して水滴となり、ガス処理路の出力端１５に落下すると、金属酸化物１７における上記式（１）の化学反応を阻害して水素除去効果を低下させる場合がある。
そこで、案内路３４は、上部壁面３６に生成した水滴を受け止めて第２連通路１２に案内し、この水滴がガス処理路の出力端１５に落下することを防止する。
【００４０】
（第５実施形態）
図５に示すように第５実施形態の水素除去装置１０における案内路３４は、回収口３５の反対端３７がガス処理路の入力端１４の近傍まで延長されている。
なお、図５において図２と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【００４１】
このように案内路３４が構成されることにより、上部壁面３６において水蒸気含有ガス２５が凝縮して生成した水滴は、ガス処理路の入力端１４の近傍に導かれる。
このガス処理路の入力端１４は、水素含有ガス２４が最初に入力する部位であるために、上記式（１）の化学反応が集中し高温になるおそれがある。
しかし、案内路３４の反対端３７から水分が供給されることにより、上記式（１）の化学反応を抑制し、ガス処理路の入力端１４の部分的な過熱を抑えることができる。
【００４２】
（第６実施形態）
図５に示すように第６実施形態の水素除去装置１０における第１連通路１１は、第１内部空間２１において複数のガス処理路の入力端１４に向けてガスを分散して噴出させる噴出孔３９を有している。
これら噴出孔３９は、第１連通路１１の下端部から水平方向に延設された分岐路３８に設けられている。
【００４３】
なお、図５（Ｂ）において分岐路３８は、十字形状に示されているが、その形状は特に限定がなく円形、星形等の形状も取り得る。
このように水素含有ガス２４は、複数の噴出孔３９から噴出されることにより、ガス処理路の入力端１４の全体に均一に供給される。
これにより、上記式（１）の化学反応が、金属酸化物１７において偏り無く進行し、安定かつ効率的な水素除去を長期間にわたり持続させることができる。
【００４４】
（第７実施形態）
図６に示すように第７実施形態の水素除去装置１０は、ガスを通過させる開口４１を有しこの開口４１に連通するように金属酸化物１７を収納した収納容器１８を設置した載置棚４２が複数段設けられている。
このように開口４１、金属酸化物１７及び収納容器１８が垂直方向に繰り返し設置されことにより、ガス処理路が形成されることになる。
なお、図６において図２と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【００４５】
（第８実施形態）
図７に示すように第８実施形態の水素除去装置１０は、複数のガス処理路１６は、水平方向に放射状にガスが通過するように配置されている。
さらに第１連通路１１は、第１内部空間２１を形成する密閉容器１３の壁面に接続している。
なお、図７において図２と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【００４６】
第８実施形態におけるガス処理路１６は、水平断面が扇形状をしており、その内側円弧面及び外側円弧面にそれぞれ入力端１４及び出力端１５が設けられる。
このように水平断面が扇形状を有するガス処理路１６は、図７（Ｂ）のように周方向に収納容器１８が互いに隣接するように敷き詰められ、さらに図７（Ａ）のように開口を有する載置棚４２と交互に垂直方向に積層される。
【００４７】
なお、図７においては、ガス処理路１６の内側円弧面に入力端１４が設けられ、その外側円弧面に出力端１５が設けられる形態が示されているが、この関係を逆転した形態も取り得る。
この入力端と出力端の関係が逆転している場合、入力端の開口面積の方が出力端の開口面積よりも大きくなるために、上記式（１）の化学反応がより安定的に進行する。
【００４８】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の水素除去装置によれば、水素によって還元される金属酸化物が充填された複数のガス処理路が並列に形成されることにより、水素を安定かつ効率良く除去することが可能となる。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５０】
１０（１０ａ，１０ｂ）…水素除去装置、１１…第１連通路、１２…第２連通路、１３…密閉容器、１４…入力端、１５…出力端、１６（１６ａ，１６ｂ）…ガス処理路、１７…金属酸化物、１８…収納容器、２１…第１内部空間、２２…第２内部空間、２３…先端開口、２４…水素含有ガス、２５…水蒸気含有ガス、２６…流路形成部材、３１…水分捕捉プレート、３２…水滴、３３…絞り機構、３４…案内路、３５…回収口、３６…上部壁面、３７…反対端、３８…分岐路、３９…噴出孔、４１…開口、４２…載置棚。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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