(57)【要約】【課題】液体金属浄化装置において、不純物捕獲部の表面を閉塞している不純物を溶解させて除去し、不純物除去性能を回復させる。【解決手段】液体金属に含まれる不純物の溶解度の温度依存性を利用して、不純物を捕獲する液体金属浄化装置であって、容器と、この容器に内蔵された不純物捕獲部と、を含み、不純物捕獲部における液体金属の流れを妨げる不純物を除去することにより、不純物捕獲部の捕獲能力を回復する構成を有する。【選択図】図３
2019090093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体金属に含まれる不純物の溶解度の温度依存性を利用して、前記不純物を捕獲する装置であって、
容器と、
前記容器に内蔵された不純物捕獲部と、を含み、
前記不純物捕獲部における前記液体金属の流れを妨げる前記不純物を除去することにより、前記不純物捕獲部の捕獲能力を回復する構成を有する、液体金属浄化装置。
【請求項２】
請求項１記載の液体金属浄化装置において、
前記不純物捕獲部の上流部には、加熱器が設置されている、液体金属浄化装置。
【請求項３】
請求項２記載の液体金属浄化装置において、
前記加熱器は、ウェルに覆われたＵ字型ヒーターである、液体金属浄化装置。
【請求項４】
請求項２記載の液体金属浄化装置において、
前記加熱器は、ウェル付のガス管である、液体金属浄化装置。
【請求項５】
請求項１記載の液体金属浄化装置において、
前記不純物捕獲部の上流部の外側を通過する前記液体金属が前記不純物捕獲部の内部を通過することなく出口配管に流れるように、バイパス流路が設置されている、液体金属浄化装置。
【請求項６】
請求項５記載の液体金属浄化装置において、
前記バイパス流路には、前記液体金属の凝固による閉塞を防止するヒーターが付設されている、液体金属浄化装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の液体金属浄化装置において、
前記液体金属は、金属ナトリウムである、液体金属浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体金属浄化装置に関する。
【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不純物除去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、温度の違いによる溶解度の差を利用して析出させ、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で構成されている不純物捕獲部で捕獲する精製機器である。ここで、不純物は、水素化ナトリウム（ＮａＨ）、酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）等である。
【０００３】
例えば、特許文献１には、断熱ガス層を分割する仕切板に特徴を有するコールドトラップが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−１９１００２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のコールドトラップ（液体金属浄化装置）においては、予期せぬ不純物濃度の増大によりΔＣが大きくなり、不純物捕獲部の表面が閉塞した場合に、閉塞を解消できる構造になっていない。このため、一度表面閉塞が起こると、設計上の不純物の捕獲容量に達する前に、不純物を除去する機能が発揮できなくなる問題が残っていた。
【０００６】
本発明の目的は、液体金属浄化装置において、不純物捕獲部の表面を閉塞している不純物を溶解させて除去し、不純物除去性能を回復させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の液体金属浄化装置は、液体金属に含まれる不純物の溶解度の温度依存性を利用して、不純物を捕獲する装置であって、容器と、この容器に内蔵された不純物捕獲部と、を含み、不純物捕獲部における液体金属の流れを妨げる不純物を除去することにより、不純物捕獲部の捕獲能力を回復する構成を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、液体金属浄化装置において、不純物捕獲部の表面を閉塞している不純物を溶解させて除去することができ、不純物除去性能を回復させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来のコールドトラップの基本構成の一例を示す縦断面図である。
【図２】初期運転時における液体金属ナトリウムに含まれる不純物の濃度変化を示すグラフである。
【図３】実施例１のコールドトラップの構成を示す縦断面図である。
【図４】実施例２のコールドトラップの構成を示す縦断面図である。
【図５Ａ】実施例１のコールドトラップに設けた加熱器の一例を示す概略構成図である。
【図５Ｂ】実施例１のコールドトラップに設けた加熱器の他の例を示す概略構成図である。
【図６】実施例１のコールドトラップに設けた加熱器の配置の例を示す概略横断面図である。
【図７】実施例１のコールドトラップに設けた加熱器の配置の他の例を示す概略横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、主な適用先が高速増殖炉となる冷却材純化技術に関する。なお、本発明に係る技術の適用先は、本明細書において例示する金属ナトリウムが、溶融した状態で冷却材として循環する高速増殖炉に限定されるものではなく、金属ナトリウム以外の液体金属を冷却材として用いるものにも適用可能である。したがって、本発明の名称は、「液体金属浄化装置」とする。
【００１１】
以下、液体金属浄化装置の例として、高速増殖炉のコールドトラップ（ナトリウム浄化装置）について、図面を用いて説明する。
【００１２】
図１は、従来のコールドトラップの基本構成の一例を示したものである。
【００１３】
本図において、コールドトラップ１００は、円筒容器状に形成された胴体１０（容器）と、その内部に設置した不純物捕獲部１２と、を有している。不純物捕獲部１２は、メッシュ充填物で形成され、上部支持板４１と下部支持板４２との間に挟み込まれている。これらにより、不純物捕獲部１２の上下面は閉じられている。胴体１０の内部には、上部管板２１と下部管板２２とが設けられ、不純物捕獲部１２は、これらの間に設置されている。
【００１４】
上部管板２１の上方は上部プレナム３２であり、上部管板２１の下方は下部プレナム３１である。
【００１５】
上部支持板４１には、環状の断熱ガス層１５が下部管板２２に向かって懸下されるように設置されている。これにより、断熱ガス層１５と胴体１０の内壁との間には、液体ナトリウムの冷却領域１１が形成されている。なお、不純物捕獲部１２及び断熱ガス層１５は、同心に配置されている。この心は、胴体１０の中心軸と一致していることが望ましい。
【００１６】
胴体１０の上部には、ナトリウム入口配管１９（単に「入口配管」ともいう。）と、ナトリウム出口配管２０（単に「出口配管」ともいう。）と、が設けられている。ナトリウム入口配管１９は、上部管板２１を貫通し、冷却領域１１（上部支持板４１の上方）と連通している。ナトリウム出口配管２０は、上部管板２１及び上部支持板４１を貫通し、不純物捕獲部１２の内部と連通している。また、胴体１０の下部に設けられた冷却ガス入口配管１６は、下部プレナム３１と連通している。胴体１０の上部に設けられた冷却ガス出口配管１７は、上部プレナム３２と連通している。上部プレナム３２と下部プレナム３１とは、複数の冷却管１８により連通されている。これにより、下部プレナム３１に流入したガスが上部プレナム３２に送られるようになっている。なお、複数の冷却管１８は、胴体１０の中心軸から等距離に配置されていることが望ましい。
【００１７】
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、断熱ガス層１５の外側の冷却領域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内の下部プレナム３１に入り、複数の冷却管１８を通って上昇する。この過程で、流下する液体金属ナトリウムと上昇する冷却ガスとの間で熱交換が行われ、温められた冷却ガスは、上部プレナム３２に入り、冷却ガス出口配管１７から流出する。冷却領域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付近で反転し、不純物捕獲部１２の側面部からその内部の空隙に入り、空隙を通過する際、析出した不純物が除去される。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。言い換えると、液体金属ナトリウムは、不純物捕獲部１２の上流部である側面部から不純物捕獲部１２の中心部（下流部）を通ってナトリウム出口配管２０に入り、流出する。
【００１８】
コールドトラップの不純物捕獲部においては、冷却材（液体金属ナトリウム）に含まれる不純物の濃度Ｃ０と制御温度における飽和濃度（溶解度）Ｃｓａｔとの差ΔＣ（≡Ｃ０−Ｃｓａｔ）を調整して、不純物を析出させ、捕獲する。通常運転時は、ナトリウム中の不純物濃度に応じて、温度を変化させ、ΔＣを適切な値にすることにより、単位時間当たりの不純物捕獲量を調整している。ΔＣを過度に大きくすると、不純物捕獲部の表面に不純物が大量に析出し、不純物捕獲部の内部の充填物（メッシュ充填物等）を活用できなくなり、コールドトラップの最大容量に達しないまま使用不能になる。
【００１９】
しかしながら、初期運転時においては、不純物濃度の変化が激しく、温度制御に慎重な操作を要する。このため、不純物の捕獲に適切な制御温度よりも著しく低い温度で運転が行われるおそれがある。この状態についてグラフを用いて以下に説明する。
【００２０】
図２は、初期運転時における液体金属ナトリウムに含まれる不純物の濃度変化を示すグラフである。横軸に時間、縦軸に不純物の濃度Ｃをとっている。実線が液体金属ナトリウムに含まれる不純物の濃度であり、点線がコールドトラップの制御温度における溶解度である。この制御は、不純物の溶解度の温度依存性を利用するものである。言い換えると、不純物の溶解度は、温度によって大きく変化するため、温度を適切に低下させる制御を行えば、適切な量の不純物を析出させることができる。
【００２１】
本図に示すように、不純物の減少傾向を検出して制御温度を低下させた場合に、予測した値と反対に不純物の濃度Ｃが高くなり、ΔＣが極端に大きくなっている。この場合、短時間で大量の不純物を不純物捕獲部の表面（上流部）で捕獲してしまい、その表面の閉塞を引き起こす可能性がある。
【００２２】
ナトリウム中の不純物は、プラギング計で測定しているが、プラギング計は、連続して不純物濃度を測定するものではないため、不純物の急激な変化を検出できない。このような場合に、運転員が即時に対応できないことが問題となる。
【００２３】
このように、従来のコールドトラップにおいては、予期せぬ不純物濃度の増大によりΔＣが大きくなり、表面閉塞が発生した場合に、閉塞を解消できる構造になっていない。このため、一度表面閉塞が起こると、未捕獲部分のメッシュ充填物等を有効活用できない状態となり、不純物除去装置として使用不能となるという課題がある。
【００２４】
そこで、本発明においては、不純物捕獲部の表面を閉塞している不純物を溶解させて除去する手段を付加している。これにより、コールドトラップの不純物除去性能を回復させることができる。言い換えると、本発明のコールドトラップは、不純物捕獲部に蓄積され液体金属ナトリウムの流れを妨げる不純物を除去することにより、不純物捕獲部の捕獲能力を回復する構成を有する、
以下、本発明の詳細について、実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【００２５】
実施例１は、コールドトラップの不純物捕獲部の表面付近に加熱器を設けて、不純物を溶解・除去し、表面閉塞を解消する構成に関するものである。
【００２６】
図３は、実施例１のコールドトラップの構成を示す縦断面図である。
【００２７】
本図においては、コールドトラップ１００の胴体１０の上部から不純物捕獲部１２の内部に挿入されたウェル付の加熱器１が設けられている。他の構成は、図１に示すものと同様である。ここで、不純物捕獲部１２の内部に加熱器１を挿入することは、液体金属ナトリウムの流れに伴って加熱器１のウェルに加わる力によってウェルが振動することを防止するために望ましいものである。
【００２８】
加熱器１により不純物捕獲部１２の表面（側面部）付近を加熱することにより、表面に析出した不純物のみを溶解させることができ、不純物捕獲部１２の機能を回復させることができる。
【００２９】
図５Ａは、本実施例のコールドトラップに設けた加熱器の一例を示したものである。
【００３０】
本図においては、加熱器１は、ウェル３にＵ字型ヒーター４を内蔵した構成を有する。Ｕ字型ヒーター４は、ウェル３に挿入することにより設置することができるため、交換も容易な構造を有し、電源操作のみの簡単な操作で加熱し、不純物捕獲部の表面を閉塞している不純物を溶解させて除去することができる。なお、加熱器１に挿入するヒーターは、Ｕ字型ヒーター４に限定されるものではなく、挿入可能であれば、他の形状のヒーターでもよい。
【００３１】
図５Ｂは、本実施例のコールドトラップに設けた加熱器の他の例を示したものである。
【００３２】
本図においては、加熱器１は、ウェル３にガス管５を挿入した構成を有する。ガス管５によりウェル３の内部に送られた高温度のガスにより、不純物捕獲部の表面を閉塞している不純物を溶解させて除去することができる。ガスは、窒素、アルゴン等が望ましい。ガス管５は、プラント運転の余熱等を利用して加熱することが想定され、加熱の際のコストを抑えることができる。
【００３３】
図６は、本実施例のコールドトラップに設けた加熱器の配置の例を示したものである。
【００３４】
本図においては、不純物捕獲部１２の表面（側面部）付近に４本の加熱器１を配置している。不純物捕獲部１２の中心部には、ナトリウム出口配管２０が挿入されている。
【００３５】
図７は、本実施例のコールドトラップに設けた加熱器の配置の他の例を示したものである。
【００３６】
本図においては、不純物捕獲部１２の表面（側面部）付近に８本の加熱器１を配置している。
【００３７】
図６及び７は、加熱器１の配置の例を示したものであるが、本発明においては、加熱器１の本数は、特に限定されるものではなく、プラントの運用に応じて決定される。これらの加熱器１により、装置を稼働させることなく、不純物捕獲部１２の表面（側面部）付近に析出した不純物だけを溶解させ、不純物除去性能を回復させることができ、再捕獲することでメッシュ部に均等に析出させることができる。
【実施例２】
【００３８】
実施例２は、コールドトラップの内部にバイパス流路を設けて、表面閉塞を解消する構成に関するものである。
【００３９】
図４は、本実施例のコールドトラップの構成を示す縦断面図である。
【００４０】
本図においては、コールドトラップ１００の上部支持板４１を貫通するバイパス流路２が設置されている。バイパス流路２は、不純物捕獲部１２の側面部の外側からナトリウム出口配管２０に連通している。言い換えると、不純物捕獲部１２の側面部の外側を通過する液体金属ナトリウムが不純物捕獲部１２の内部を通過することなくナトリウム出口配管２０に流れるように、バイパス流路２が設置されている。他の構成は、図１に示すものと同様である。
【００４１】
このバイパス流路２は、通常運転時は、バイパス流路２の途中に設けたバイパス弁等で閉鎖しておく。そして、不純物捕獲部１２の表面を閉塞する不純物を溶解させる際には、加熱した流体（液体金属ナトリウム）を流し、バイパス弁を開放する。これにより、不純物捕獲部１２の表面から内部への液体金属ナトリウムの流路を確保し、不純物除去性能を回復させることができる。そして、再捕獲することにより、メッシュ部に均等に析出させることが可能である。バイパス流路２を構成する配管、バイパス弁等には、液体金属ナトリウムの凝固を防止するためのヒーターを付設することが望ましい。
【００４２】
なお、実施例１の加熱器及び実施例２のバイパス流路をともに有する構成であってもよい。このような構成は、不純物除去の観点から更に望ましい。
【００４３】
また、上記の実施例においては、不純物捕獲部の側面部から中心部に向かって液体金属ナトリウムが流れる構成について説明したが、このような構成以外にも、例えば、円柱形状の不純物捕獲部（メッシュ部）の下面から上面に、又は上面から下面に向かって、液体金属ナトリウムが流れる構成を有する場合も、上流部である下面又は上面に、加熱器及びバイパス流路の少なくともいずれか一方を設けることにより、本発明の所望の効果を得ることができる。
【００４４】
なお、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。例えば、上記した実施例は本発明をわ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。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が可能であり、また、ある実施例の構成にほか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・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１：加熱器、２：バイパス流路、３：ウェル、４：Ｕ字型ヒーター、５：ガス管、６：ウェル断面、１０：胴体、１１：冷却領域、１２：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、２１：上部管板、２２：下部管板、４１：上部支持板、４２：下部支持板、１００：コールドトラップ。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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