(57)【要約】【課題】  重水の濃度をできるだけ高濃度で多量回収をすること、特に該重水取扱設備のデッドスペースに存在するトリチウム含有水の除去及び該重水取扱設備の内部表面に化学吸着しているトリチウムを除去し、該重水取扱設備を短期間で乾燥できる重水取扱設備の乾燥システムおよびその乾燥方法の提供。【解決手段】  デッドスペースを有するトリチウム含有重水取扱設備を効率よく乾燥するために、ａ．重水取扱設備内部に乾燥した加圧ガスを供給・排出するための加圧乾燥ガス供給システム、ｂ．排出ガス中の露点とトリチウム濃度を測定するための排出ガス分析システム、ｃ．排出ガスを冷却し排出ガス中の重水蒸気を凝縮・分離する蒸気回収システムおよびｄ．排出ガスに残留する重水蒸気を水分の吸着剤による回収と排出ガス中のトリチウムを回収・処理する排ガス処理システムから構成された重水取扱設備の加圧乾燥設備システム及び該加圧乾燥設備システムを使用する重水取扱設備の乾燥方法。【選択図】            図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液溜まり構造を有するトリチウム含有重水取扱設備を効率よく乾燥するために、重水取扱設備内部に乾燥した加圧ガスを供給・排出するための加圧乾燥ガス供給システム、排出ガス中の露点とトリチウム濃度を測定するための排出ガス分析システム、排出ガスを冷却し排出ガス中の重水蒸気を凝縮・分離する蒸気回収システムおよび排出ガスに残留する重水蒸気を水分の吸着剤による回収と排出ガス中のトリチウムを回収・処理する排ガス処理システムから構成されることを特徴とする重水取扱設備の加圧乾燥設備システム。
【請求項２】
加圧乾燥ガス供給システムが、１種類または２種類の加圧乾燥ガス供給系を有し重水取扱設備の入口および出口に圧力調整器を備え、かつ加圧乾燥ガス供給ラインにトリチウムを希釈・回収するための加湿システムを備えたことを特徴とする請求項１に記載の重水取扱設備の加圧乾燥設備システム。
【請求項３】
加圧乾燥ガス供給システムにおいて、乾燥炭酸ガス単独または一方が窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、空気、酸素ガス、炭酸ガスおよびそれらの混合ガスのいずれかの乾燥ガスを供給する乾燥・加圧ガス供給系で、他方が乾燥・加圧炭酸ガス供給系を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の重水取扱設備の加圧乾燥設備システム。
【請求項４】
排出ガス分析システムが、露点計で構成されているラインモニターとサンプリングシステムによる分析系で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の重水取扱設備の加圧乾燥設備システム。
【請求項５】
蒸気回収システムが、冷却水またはブラインにより循環ガスを重水の凝固点より高くかつ１５℃以下まで冷却出来、重水蒸気を凝縮・回収する冷却システムおよび回収重水貯槽系を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の重水取扱設備の加圧乾燥設備システム。
【請求項６】
蒸気回収システムにおいて、冷却システムをバイパスさせるためのバイパスラインを設けた請求項５に記載の重水取扱設備の加圧乾燥設備システム。
【請求項７】
排出ガス処理システムが、水吸着剤を充填した吸着乾燥システム、排出ガス中のトリチウム濃度を希釈するための加湿システム、水吸着剤を充填した吸着乾燥系を備えたトリチウム除去システムおよび回収劣化重水貯槽系から構成された請求項１〜６のいずれか１項に記載の重水取扱設備の加圧乾燥設備システム。
【請求項８】
水吸着剤を充填した吸着乾燥システム及びトリチウム除去システムにおいて、水吸着剤の再生装置を併設した請求項７に記載の重水取扱設備の加圧乾燥設備システム。
【請求項９】
吸着乾燥システムおよびトリチウム除去システムに充填した水吸着剤が合成ゼオライト（モレキュラーシーブ）、天然ゼオライト、アルミナ、シリカゲルまたは活性炭の少なくとも一つである請求項７または８に記載の重水取扱設備の排ガス処理システム。
【請求項１０】
加圧乾燥ガスが炭酸ガスの場合に、吸着剤乾燥システムおよびトリチウム除去システムの水吸着材がモレキュラーシーブ３Ａであることを特徴とする請求項７に記載の重水取扱設備の排ガス処理システム。
【請求項１１】
水吸着剤を充填した吸着剤乾燥システムおよびトリチウム除去システムにおいて、各のシステムがそれぞれ少なくとも１基を脱水に使用し、他の少なくとも１基は再生操作を行うため、吸着設備を複数基設けた請求項７〜１０のいずれか１項に記載の重水取扱設備の加圧乾燥設備システム。
【請求項１２】
重水取扱設備の残留重水に加圧ガスを溶解後、大気圧以下の圧力下で蒸発するために、重水取扱設備出口と蒸気回収システムの間に減圧装置を設けた請求項１〜１１のいずれか１項に記載の加圧乾燥設備システム。
【請求項１３】
重水取扱設備内部に加圧乾燥ガス供給システムから加圧乾燥ガスを供給し、該設備内に付着している重水に加圧ガスを溶解させた後、急激に減圧・排出させることにより重水を気化・同伴させ、該重水蒸気を含む排出ガスを蒸気回収システムに通して重水を凝縮・分離回収し、未凝縮ガスはさらに排出ガス処理システムにて重水蒸気を吸着除去し乾燥状態にした後、ベントスタックへ排出することを特徴とする重水取扱設備の乾燥方法。
【請求項１４】
加圧乾燥ガス供給システムから加圧乾燥ガスを供給し、該設備内に付着している重水に加圧ガスを溶解させた後、急激に大気圧以下に減圧し、重水を気化・同伴させ、重水取扱設備内の乾燥を行う請求項１３に記載の重水取扱設備の乾燥方法。
【請求項１５】
加圧乾燥ガス供給システムから加圧乾燥ガスを供給し、該設備内に付着している重水に加圧ガスを溶解させた後、急激に減圧・排出させ重水を気化・同伴させることを繰り返すことにより、重水取扱設備内の乾燥を行う請求項１３または１４記載の重水取扱設備の乾燥方法。
【請求項１６】
加圧乾燥ガス供給系から供給される加圧乾燥ガスの圧力が０．１ＭＰａ以上２ＭＰａ以下である請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の重水取扱設備の乾燥方法。
【請求項１７】
排出ガスの露点が蒸気回収システムの操作温度程度に低下した後に、加圧乾燥ガスを他の乾燥ガスから加圧乾燥炭酸ガスに切り替えて炭酸ガスを溶解させた後、急激に減圧・排出させることにより重水を同伴させ、該重水またはその蒸気を含む排出ガスを蒸気回収システムに通して冷却し、重水を凝縮・分離回収し、未凝縮ガスはさらに排出ガス処理システムにて重水蒸気を吸着除去し、乾燥状態にした後、ベントスタックへ排出することを特徴とする重水取り扱い設備の乾燥方法。
【請求項１８】
排出ガスの露点が蒸気回収システムの操作温度程度に低下した後、蒸気回収システムをバイパスし、加圧乾燥ガスを他の乾燥ガスから乾燥炭酸ガスに切り替えて、吸着剤乾燥システムおよびトリチウム除去システムの水吸着材がモレキュラーシーブ３Ａである排出ガス処理システムへ導入することを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の重水取扱設備の乾燥方法。
【請求項１９】
請求項１３〜１８のいずれか１項に記載の重水取扱設備の乾燥方法において、冷却・凝縮分離した回収重水を再度そのまま原子炉に使用できる重水濃度で回収することを特徴とする重水の回収方法。
【請求項２０】
重水取扱設備の出口露点計の指示値が低下し、該設備の乾燥ガスによる圧縮・減圧操作によっても変化が殆ど観測されなくなった時点で、供給する乾燥ガスとともに加湿器から軽水蒸気を供給し、更に該設備の乾燥ガスによる圧縮・減圧操作による重水素およびトリチウム除去操作を継続し、出口露点の測定とサンプリングシステムによる排出ガス中の重水またはトリチウム濃度を測定することにより、該設備中のトリチウム除去を評価する重水取扱設備の乾燥方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
重水取扱設備の点検、修理、廃棄などの作業に先立ち、作業環境へのトリチウムの漏洩防止のために該設備の完全な乾燥（放射能成分の除去）が要求される。
本発明は、重水取扱設備に付着した重水の回収に際し、回収重水の濃度をできるだけ低化させずに原子炉等に直接使用できる高濃度重水としてできるだけ多量回収をすること、特に該重水取扱設備の接合部、くぼみ、隙間等の液溜まり構造（これらを一括して「デッドスペース」という。）に存在するトリチウム含有水の除去、該重水取扱設備の内部表面に吸着または反応しているトリチウムの内水蒸気と交換反応するトリチウムを除去し、回収した劣化重水の発生量を低減し、更には該重水取扱設備を短期間で乾燥できることが可能なる重水取扱設備の乾燥システムおよびその乾燥方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
中性子の減速材として使用した重水や高エネルギー粒子加速器の冷却材として使用した重水を扱う重水取扱設備は、原子力発電所などの分野で実用化されている。これらの重水取扱設備の重水は、使用中に核反応により放射性のトリチウムを含有するようになる。生成したトリチウムは水素の同位体であるので、その挙動は重水素即ち重水と殆ど同一の挙動を示すことになる。そこでトリチウムを回収・除去することは、即ち重水を回収除去することと同一の操作、手段によることになる。
これら重水を取り扱う設備は、定期点検または設備故障などにより設備内部の検査を必要とする場合が生じたときに、内部にあった重水を抜き出したあとで検査、補修、設備の更新などが行われる。この場合に、内部にあった重水は設備の運転中にトリチウムを含有するようになっているので、外部に漏洩した場合には環境に放射能汚染を引き起こすことになる。
【０００３】
従ってこのような内部検査などが必要になった場合、放射能汚染を引き起こさない様にするため、重水取扱設備内のトリチウム含有重水を放射能管理値以下になるまで回収・除去しなければならない。このためには設備内の重水を抜き出すだけでなく、設備内部に付着残存している重水や複雑な構造になっている場所に残留する重水、設備の金属材料表面に化学的に反応している重水成分も、放射能の管理値以下になるまで回収することが必要である。このことは設備からの重水をすべて回収し、設備内部を完全に乾燥状態にし、更には化学的に反応している重水素成分を軽水素成分と同位体交換反応させ、除去することにより達成できる。しかしこの場合においても、出来る限り重水濃度を低下させることなく回収することが求められている。
【０００４】
通常これらの除去作業は長時間を要するため、設備の停止期間が長くなり経済的にも大きな問題であった。加うるに乾燥操作中に重水取扱設備内に残留するトリチウム入りの重水量を把握するのに簡便な方法がなかった。また、デッドスペースに於いては、界面張力の問題もあり、供給する乾燥ガスとデッドスペースに存在する重水との接触効率が著しく低く、重水取扱設備を加熱することが必ずしも容易でないことから、長時間かけて重水の蒸発を待つことしか良い方法がなかった。その上、デッドスペース中の重水の状況を判断する簡便で確実な手段もなかった。
【０００５】
重水取扱設備の乾燥度を上げるにはモレキュラーシーブ等を用いた吸着乾燥ガス循環使用するのが理想であると言われたが、モレキュラーシーブ吸着材中に存在する軽水素により、吸着した重水のモレキュラーシーブからの再生に伴い劣化重水が発生し、トリチウム汚染したモレキュラーシーブが放射性廃棄物として発生することを危惧して、現在まで実用化されてこなかった。
【０００６】
トリチウム含有重水取扱設備付着残存重水の除去効率を高めるため、供給するガスの温度を高めることや該設備の温度を高めることは不可能ではないが、過大な設備や多くのエネルギーを要することが判明し実用化するに至っていない。特に狭隘なデッドスペースに残留する重水は処理温度の多少の上昇程度ではデッドスペースからこれを引き出すことは極めて困難である。
【０００７】
重水設備の乾燥を行うための方法として、重水系機器内を密閉状態として乾燥ガスを循環させて該機器内に残留しているトリチウム共存重水を蒸発させ、該トリチウム共存重水の蒸気を含む循環ガスをモレキュラーシーブに通すことによって該循環ガス中のトリチウム共存重水蒸気を該モレキュラーシーブに吸着させ、次いで該モレキュラーシーブを加熱して吸着されたトリチウム共存重水蒸気を脱着せしめ、脱着させた蒸気を凝縮器により凝縮して回収する高濃度トリチウム共存重水の回収方法の提案（特許文献１参照）がある。
しかしこの方法では化学的に吸着状態にあるトリチウムの除去は不可能であり、またデッドスペースに存在するトリチウム含有重水を効率よく回収する、トリチウム含有重水取扱設備の処理方法としては実用性に乏しい方法である。
【０００８】
化学的に吸着したトリチウムを除去するための手段として、放射性トリチウム水が吸着して汚染された金属材料、無機材料及び／又は有機材料から放射性トリチウム水を分解反応によりガス化して除去するために使用される、塩素系シラン化合物及びヨウ素系シラン化合物から選択された少なくとも１種の化合物と、その分解反応によって生成する腐食性副生成物の化学的活性を抑制する化合物とからなる薬剤を用いてトリチウム含有重水を処理する方法の提案（特許文献２参照）がある。
【０００９】
この方法によるときは、化学的吸着トリチウムのみならず、デッドスペースなどに存在するトリチウム含有重水に対しても有効と考えられるが、腐食性の大なるハロゲン化合物を使用する点で原子炉などトリチウム含有設備に適用することは好ましくなく避けるべき方法である。
【００１０】
また、トリチウム含有重水取扱設備そのものを対象とはしていないが、化学的に吸着したトリチウムを除去するための手段として、内部でトリチウムが発生する原子力施設の廃棄される配管または機器内を除染する放射性廃棄物の除染方法において、前記配管内または前記機器内に乾燥ガスを供給してその内側に付着した重水を除去し、その後、軽水の水蒸気を含む２００℃以下のガスを前記配管または前記機器の内側に供給することにより、前記配管または前記機器の内側で前記配管または前記機器の材料表面に吸着された重水からトリチウムを除去する放射性廃棄物の除染方法の提案（特許文献３）がある。
【００１１】
この方法は、腐食性物質を使用しない点で前記特許文献２の提案より好ましい方法であるが、装置的規模の極めて大きいトリチウム含有重水取扱設備から効率よくトリチウムを除去することは困難であるばかりでなく、デッドスペースの大きい設備内にあるトリチウム含有重水を取り除くことは極めて困難であり、更には多量のトリチウム入り排水の発生の可能性がありその処分のために、経済的、時間的な損失も無視できないものとなる。
【００１２】
【特許文献１】特公平６−３１８３０号公報
【特許文献２】日本特許第２９０４２２６号公報
【特許文献３】特開平１１−２８１７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、重水取扱設備から重水を抜き出した後、トリチウム除去・回収時間をできるだけ短時間で完了することが可能であり、重水取扱設備から経済的にコストが低く、トリチウムの漏洩を起こさず、該設備中に残存した重水を殆ど濃度低下させず高濃度重水として回収するシステム及び方法、並びに該設備表面に化学的に吸着しているトリチウムも低濃度重水として回収できるシステム及び方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、
［１］  液溜まり構造を有するトリチウム含有重水取扱設備を効率よく乾燥するために、重水取扱設備内部に乾燥した加圧ガスを供給・排出するための加圧乾燥ガス供給システム、排出ガス中の露点とトリチウム濃度を測定するための排出ガス分析システム、排出ガスを冷却し排出ガス中の重水蒸気を凝縮・分離する蒸気回収システムおよび排出ガスに残留する重水蒸気を水分の吸着剤による回収と排出ガス中のトリチウムを回収・処理する排ガス処理システムから構成されることを特徴とする重水取扱設備の乾燥設備システム、
【００１５】
［２］  加圧乾燥ガス供給システムが、１種類または２種類の加圧乾燥ガス供給系を有し重水取扱設備の入口および出口に圧力調整器を備え、かつ加圧乾燥ガス供給ラインにトリチウムを希釈するための加湿システムを備えたことを特徴とする上記［１］に記載の重水取扱設備の乾燥設備システム、
［３］  加圧乾燥ガス供給システムにおいて、乾燥炭酸ガス単独または一方が窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、空気、酸素ガスおよびそれらの混合ガスのいずれかの乾燥ガスを供給する乾燥・加圧ガス供給系で、他方が乾燥・加圧炭酸ガス供給系を備えることを特徴とする上記［１］または［２］に記載の重水取扱設備の加圧乾燥システム、
【００１６】
［４］  排出ガス分析システムが、露点計で構成されているラインモニターとサンプリングシステムによる分析系で構成されていることを特徴とする上記［１］〜［３］のいずれかに記載の重水取扱設備の乾燥設備システム、
［５］  蒸気回収システムが、冷却水またはブラインにより循環ガスを重水の凝固点より高くかつ１５℃以下まで冷却出来、重水蒸気を凝縮・回収する冷却システムおよび回収重水貯槽系を備えたことを特徴とする上記［１］〜［４］のいずれかに記載の重水取扱設備の乾燥設備システム、
［６］  蒸気回収システムにおいて、冷却システムをバイパスさせるためのバイパスラインを設けた上記［５］に記載の重水取扱設備の乾燥設備システム、
【００１７】
［７］  排出ガス処理システムが、水吸着剤を充填した吸着乾燥システム、排出ガス中のトリチウム濃度を希釈するための加湿システム、水吸着剤を充填した吸着乾燥系を備えたトリチウム除去システムおよび回収劣化重水貯槽系から構成された上記［１］〜［６］のいずれかに記載の重水取扱設備の乾燥設備システム、
［８］  水吸着剤を充填した吸着乾燥システム及びトリチウム除去システムにおいて、水吸着剤の再生装置を併設した請求項７に記載の重水取扱設備の乾燥設備システム。
［９］  吸着乾燥システムおよびトリチウム除去システムに充填した水吸着剤が合成ゼオライト（モレキュラーシーブ）、天然ゼオライト、アルミナ、シリカゲルまたは活性炭の少なくとも一つである上記［７］または［８］に記載の重水取扱設備の排ガス処理システム、
［１０］  加圧乾燥ガスが炭酸ガスの場合に、吸着剤乾燥システムおよびトリチウム除去システムの水吸着材がモレキュラーシーブ３Ａであることを特徴とする上記［７］〜［９］のいずれかに記載の重水取扱設備の排ガス処理システム、
［１１］  水吸着剤を充填した吸着剤乾燥システムおよびトリチウム除去システムにおいて、各のシステムがそれぞれ少なくとも１基を脱水に使用し、他の少なくとも１基は再生操作を行うため、吸着設備を複数基設けた上記［７］〜［１０］のいずれかに記載の重水取扱設備の乾燥設備システム、
［１２］ 重水取扱設備の残留重水に加圧ガスを溶解後、大気圧以下の圧力下で蒸発するために、重水取扱設備出口と蒸気回収システムの間に減圧装置を設けた上記［１］〜［１１］のいずれかに記載の加圧乾燥設備システム、
【００１８】
［１３］  重水取扱設備内部に加圧乾燥ガス供給システムから加圧乾燥ガスを供給し、該設備内に付着している重水に加圧ガスを溶解させた後、急激に減圧・排出させることにより重水を気化・同伴させ、該重水蒸気を含む排出ガスを蒸気回収システムに通して重水を凝縮・分離回収し、未凝縮ガスはさらに排出ガス処理システムにて重水蒸気を吸着除去し乾燥状態にした後、ベントスタックへ排出することを特徴とする重水取扱設備の乾燥方法、
［１４］  加圧乾燥ガス供給システムから加圧乾燥ガスを供給し、該設備内に付着している重水に加圧ガスを溶解させた後、急激に大気圧以下に減圧し、重水を気化・同伴させ、重水取扱設備内の乾燥を行う上記［１３］に記載の重水取扱設備の乾燥方法、
［１５］  加圧乾燥ガス供給システムから加圧乾燥ガスを供給し、該設備内に付着している重水に加圧ガスを溶解させた後、急激に減圧・排出させ重水を気化・同伴させることを繰り返すことにより、重水取扱設備内の乾燥を行う上記［１３］または［１４］に記載の重水取扱設備の乾燥方法、
［１６］  加圧乾燥ガス供給系から供給される加圧乾燥ガスの圧力が０．１ＭＰａ以上２ＭＰａ以下である上記［１３］〜［１５］のいずれかに記載の重水取扱設備の乾燥方法、
【００１９】
［１７］  排出ガスの露点が蒸気回収システムの操作温度程度に低下した後に、加圧乾燥ガスを他の乾燥ガスから乾燥炭酸ガスに切り替えて炭酸ガスを溶解させた後、急激に減圧・排出させることにより重水を同伴させ、該重水またはその蒸気を含む排出ガスを蒸気回収システムに通して冷却し、重水を凝縮・分離回収し、未凝縮ガスはさらに排出ガス処理システムにて重水蒸気を吸着除去し、乾燥状態にした後、ベントスタックへ排出することを特徴とする重水取り扱い設備の乾燥方法。
［１８］  排出ガスの露点が蒸気回収システムの操作温度程度に低下した後、蒸気回収システムをバイパスし、加圧乾燥ガスを他の乾燥ガスから乾燥炭酸ガスに切り替えて、吸着剤乾燥システムおよびトリチウム除去システムの水吸着材がモレキュラーシーブ３Ａである排出ガス処理システムへ導入することを特徴とする上記［１３］〜［１７］のいずれかに記載の重水取扱設備の乾燥設備システム、
［１９］  上記［１３］〜［１８］のいずれかに記載の重水取扱設備の乾燥方法において、冷却・凝縮分離した回収重水を再度そのまま原子炉に使用できる重水濃度で回収することを特徴とする重水の回収方法、及び
【００２０】
［２０］  重水取扱設備の出口露点計の指示値が低下し、該設備の乾燥ガスによる圧縮・減圧操作によっても変化が殆ど観測されなくなった時点で、供給する乾燥ガスとともに加湿器から軽水蒸気を供給し、更に該設備の乾燥ガスによる圧縮・減圧操作による重水素およびトリチウム除去操作を継続し、出口露点の測定とサンプリングシステムによる排出ガス中の重水またはトリチウム濃度を測定することにより、該設備中のトリチウム除去を評価する重水取扱設備の乾燥方法、
を開発することにより上記の課題を解決した。
【発明の効果】
【００２１】
重水取扱設備の点検、修理、廃棄などの作業に先立ち、作業環境へのトリチウムの漏洩防止のために重水取扱設備に付着した重水を回収することが必要であるが、本発明は、デッドスペースに残留するトリチウム含有重水に加圧ガスを溶解させた後、これを急激に減圧することによりデッドスペースからトリチウム含有重水を効率よく、回収時間をできるだけ短時間で完了することが可能であり、重水取扱設備から経済的にコストが低く、トリチウムの漏洩を起こさずに取り出すことに成功したものである。また重水取扱設備の内部表面に吸着または反応しているトリチウムを軽水蒸気と交換反応させてトリチウムを必要濃度まで簡単に除去する方法も同時に完成させた。
重水への溶解度の大きい炭酸ガスを用いることによりより効果的に重水取扱設備の乾燥を短時間で実施することが可能であり、かつ圧力が大きいほど加圧回数が少なくて済むことが明らかになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、重水取扱設備から効率よく重水を回収すると共に、重水取扱設備を短時間で、できれば重水取扱設備から重水濃度を低減させることなくデッドスペースに残留する重水を乾燥する方法である。重水取扱設備内のデッドスペースの乾燥速度を規定するものは乾燥するために供給するガスの露点、供給するガスの温度と設備の温度、付着する重水と乾燥ガスの効率よい接触方法、重水付着表面の蒸気圧との差等が推進力になる。
【００２３】
本発明において、重水取扱設備とは結果的にトリチウムを含有する重水を使用する又はトリチウム含有重水を取り扱う設備であれば如何なる形式の設備であっても良い。特に複雑な構造を有している重水取扱設備あるいは多くの狭隘な隙間などのデッドスペースを有し、他に効率よい乾燥手段がないような場合により効果を発揮する。
【００２４】
特に減速材として重水を使用する原子力設備において設備の修理、点検、廃棄などにおいては、トリチウム含有重水の完全な抜き出し処理が必要となる。重水取扱設備から放射性物質であるトリチウム含有重水を回収するには、トリチウム含有重水を軽水で希釈することなく高濃度重水として回収することも重要であるが、重水取扱設備から該重水を完全に除去するためには設備を完全に乾燥することが重要で、手段として確実でコストも安く簡単であり、本発明の加圧乾燥ガスを供給し、該設備内に付着している重水に加圧ガスを溶解させた後、急激に減圧・排出させることによりデッドスペースにある重水を気化・同伴させる重水取扱設備の乾燥方法及びそのための乾燥システムは極めて有効である。
【００２５】
一般に設備内を、乾燥ガスにより乾燥するには、乾燥加圧ガス入口における導入ガスの乾燥度が高い（露点としては低露点）程効果的である。
本発明において、供給される加圧乾燥ガスは通常外部の工場で生産されたボンベ詰めの圧縮ガスまたは液化ガスを用いることが有利である。これらのガスはその露点は製造の段階で極めて低く抑えられており、−４０℃から−８０℃程度が確保されている。重水取扱設備に供給される圧力は重水取扱設備の設計圧力にも依るが、通常は１ＭＰａ以下が好ましい。
使用する加圧乾燥ガス使用量を低減するためには低い圧力で操作回数を多くし、乾燥作業期間の低減のためには圧力を高くし操作回数を少なくすることになるが、この条件は技術者が該重水設備に適応する操作条件を容易に決定することが可能である。
【００２６】
重水取扱設備からの重水蒸気を含む排出ガスから重水を回収するための蒸気回収システム・冷却システムでの冷却温度は、排出ガス中の重水蒸気の凝固点、吸着剤乾燥システムの再生回数の低減や吸着剤乾燥システムの吸着熱による昇温等を考慮し決めることが可能であり、限定されることはないが、通常は２℃以上１０℃以下が好ましい。特に高濃度重水の回収量をより多くし、かつ吸着剤乾燥システムへの負担を低減し、吸着剤の再生回数を低減するためには重水の凝固温度の少し上の３〜４℃が最も好ましい。
なお重水取扱設備中に残存する重水が少ないかまたは重水の回収が進行して蒸気回収システムにおける凝縮がないときは、炭酸ガスが排ガス処理システムの凝縮器表面付着水へ溶解する可能性があるので蒸気回収システムを通さずバイパスラインにより直接排ガス処理システムへ導入することが好ましい。
【００２７】
従来であれば、重水蒸気を含む排出ガス中の重水またはトリチウム濃度を測定することにより重水取扱設備内部の重水残留状態を評価していたが、これらのサンプリングや分析には高価な分析装置が必要で、さらに多くの時間を費やしまた操作が複雑であったが、本発明においては日常的に連続分析装置として使用されている安価な露点計を分析装置として使用することで、重水取扱設備内部の重水残留状態を評価することが出来ることを見いだした。
【００２８】
以下図面を参照して本発明をより具体的に説明する。
図１には本発明になる重水取扱設備の乾燥システムの基本概念を示す。以下操作の手順を説明する。
【００２９】
図２において、トリチウム重水取扱設備出口の圧力調整器を閉とした後、重水取扱設備入口の圧力調整器を開とし加圧乾燥ガス１供給系から加圧乾燥ガスを重水取扱設備に所定圧力に達するまで送入する。所定圧力になったら重水取扱設備入口圧力調整器を閉としデッドスペースに残留する重水に該ガスを溶解するために適当な時間、圧力を保持し、重水取扱設備内部の重水に該ガスを充分に溶解させる。次いで重水取扱設備出口の圧力調整器を開とすることによりガスを重水取扱設内部から放出させ、設備内部を急激に減圧し、溶解したガスを突沸状態にさせ、デッドスペース内部にある重水を設備内部空間に引き出すと共に蒸発あるいはミスト化させ、排出されたガスは露点計、排出ガス冷却システム、排出ガス処理システムへと導かれ、ベントスタックから環境へ排出される。排出ガス中の重水蒸気露点は露点計で測定することにより、重水取扱設備内部の乾燥状態が評価される。
【００３０】
加圧乾燥ガス供給システムは、乾燥炭酸ガス単独系、あるいは必要に応じて２系統保つことが出来る。２系統の場合には通常の加圧乾燥ガスを供給する系統と、重水取扱設備の主要部分の乾燥がほぼ終了した後デッドスペースに残留するトリチウム入り重水の除去用に、重水に対し、より溶解度の大きい加圧乾燥炭酸ガスを供給する系統で構成されるのが望ましい。デッドスペースに残留する重水量が少ない場合には、最初から炭酸ガスを使用することが有利である。この場合には回収した重水中に炭酸ガスが溶解するのでそのままでは原子力施設に再使用することが出来ない。従ってデッドスペース残留量が多いときは、最初から炭酸ガスを使用することは、脱炭酸ガス装置を新たに設置しなければならない等の経済的設備的な面で不利となる。
【００３１】
炭酸ガスに切り替えるタイミングは、排出ガス中の露点が冷却システムで蒸気が凝縮回収出来なくなる時点付近をもってすれば良く、特段に厳しく決めなければならないものではない。炭酸ガスに切り替える前に冷却システムのバイパスラインを生かし、炭酸ガスが回収重水へ溶解しないようにする必要がある。また、炭酸ガスを乾燥ガスとして使用する場合には、吸着剤乾燥システムの水吸着剤としては種々の水吸着剤が使用可能であるが、吸着乾燥システムの再生により回収された劣化重水中の溶解炭酸ガス濃度を低く抑えるためには合成ゼオライトモレキュラーシーブ３Ａを使用することが好ましい。
【００３２】
トリチウム除去システムの水吸着剤吸着塔からの回収劣化重水に関しては、トリチウムの回収量が非常に小さいので、希釈放流することにより放出基準値を下回ることが可能でその場合は、特段モレキュラーシーブ３Ａである必要性はない。
【００３３】
乾燥すべき重水取扱設備の耐圧性が不十分な場合には、加圧乾燥ガスシステムからの供給加圧乾燥ガスは、その耐圧力に応じた圧力で加圧しなければならない。この場合には重水取扱設備出口と蒸気回収システムの間に減圧装置を設け、調整された加圧ガスを残留重水中に溶解させた後、減圧装置を用いて急激に減圧して溶解ガスにより重水を気化、同伴させ、デッドスペースから取り出し、乾燥させる。減圧したガスは減圧装置通過後、常圧あるいは操業する圧力に戻し、ガス分析システム、蒸気回収システムにより処理して重水を回収、除去する。この操作は１回では装置全体を乾燥することは通常できないのでこれを複数回繰り返すことにより、装置全体を乾燥させる。
【００３４】
重水取扱設備内の乾燥状態を評価するのに露点計を使用することは、設備的にも分析手段の簡便化にも大きなメリットである。重水取扱設備の乾燥が完了（露点計１の指示値が露点計２の指示値に近づいた時点）しても、まだ重水取扱設備の金属表面に化学的に吸着している重水素またはトリチウム（以下水素同位体重成分と称する）の除去に問題がある。この化学的に吸着している水素同位体重成分については単なる乾燥操作のみでは除去は殆ど不可能である。
【００３５】
かかる場合には重水取扱設備内部を加湿システム１により軽水（純水）で加湿し、軽水蒸気と重水取扱設備の表面吸着水素同位体重成分との間で交換反応をさせ水素同位体重成分を蒸気側に効率的に移行させる。排出ガス中の水素同位体重成分をサンプリングにより分析することにより、化学的に吸着している水素同位体重成分の重水取扱設備内に残留する状況を評価出来ることになる。排出ガス中の水素同位体重成分濃度が所定の値以下になった段階で、全ての重水取扱設備の乾燥が完了したことになる。水素同位体重成分の分析には、ガス中の水分をサンプリングし、感度の高いトリチウムの液体シンチレーションカウンター方式による分析が好ましい。サンプリングの方法に関しては、通常原子力設備の空気中のトリチウム分析に使用されているサンプリング方法を採用することが可能である。
【００３６】
トリチウム含有重水取扱設備を一括して乾燥することも可能であるが、該設備をパート毎に分割してそれぞれを独立して乾燥することも可能である。ただし、加圧乾燥ガスを導入するところと排出ガスを抜き出すところは、出来る限り重水取扱設備の反対側になるように工夫することが望まれる。このことにより、より効率の良い乾燥が可能となる。該乾燥システムを一体化して輸送手段に装備し、乾燥ユニットとしてトリチウム含有重水取扱設備のパート毎に使用することも可能である。
【００３７】
好ましい例としては、吸着剤を充填した吸着剤乾燥システムの吸着塔は少なくとも２基設けておき、その中の１基は吸着に使用し、他の少なくとも１基は再生操作を行う。この場合乾燥系をできるだけ閉鎖系としておくため、吸着使用中の吸着塔の出口ガスを再生用循環ガス加熱器に導入し、必要温度まで昇温した後、再生吸着塔の出口側から導入することが好ましいが、外部から乾燥ガスを導入することも可能である。吸着剤の吸着水を保持した再生用ガスは再生用空気冷却器で冷却され、保持した吸着水を凝縮する。この凝縮水は重水濃度が低いときは劣化重水として回収し、連続運転により重水濃度が高くなった後は回収重水として回収することができる。吸着剤を充填した吸着剤乾燥システムの吸着塔の再生に関しては通常のモレキュラーシーブ吸着塔の再生で行われている方法を使用することは容易である。本発明になる吸着塔で重要なことは、吸着剤として水分は吸着するが炭酸ガスは吸着しないモレキュラーシーブ３Ａを吸着剤として使用することが好ましく、その再生方法は通常の方法を採用することが可能である。
【００３８】
加圧乾燥ガス供給システムから供給される乾燥ガスの圧力は０．１ＭＰａ以上２ＭＰａ以下が好ましいが、０．２ＭＰａ以上１ＭＰａ以下がより好ましい。
操作温度は高い方が有効であるが重水取扱設備を加熱することは保温材が施工されていることがあったり、設備が複雑であったりするので現実的でない場合が多い。しかしデッドスペースの構造が複雑で、乾燥ガスの出入りが非常に困難な場合には、その部分の加熱をすることは乾燥効率を上げるために重要な操作となる。加圧保持時間については作業時間工程等を考慮して技術者が決定することが可能であるが、乾燥ガスと付着水との平衡反応を考慮すると、余り短時間では非効率となる。また加圧ガスがデッドスペースにある重水中への溶解平衡に近づくための時間も必要であることから、長時間かけると効果があるが、作業効率が低下する。設備の状況により確定することは出来ないが、通常加圧保持時間は３０分から１時間程度で行うことで効果を奏することが可能である。
【００３９】
蒸気回収システムでは、排出ガス中の重水蒸気が所定の露点まで回収され、回収重水は回収重水貯槽系に送られる。露点の低減した排出ガスはさらに排ガス処理システムで吸着処理することにより環境に排出しても問題ない程度までトリチウムを含む重水蒸気を回収してベントスタックへ排出されることになる。吸着剤乾燥システムおよびトリチウム除去システムの水吸着剤の再生により回収した劣化重水は、回収劣化重水貯槽系で保管するが、トリチウム除去システムの水吸着剤の再生により回収した劣化重水は濃度が薄い場合直接希釈放流することも可能である。                  
【００４０】
排出ガス処理システムにおける吸着剤乾燥システムおよびトリチウム除去システムには、合成ゼオライト（モレキュラーシーブ）、天然ゼオライト、アルミナ、シリカゲル、活性炭などの水の吸着剤を充填した吸着塔を中心に構成されており、吸着剤乾燥システムでは排出ガスは−６０℃から−９０℃程度まで乾燥されるが、それでもトリチウム濃度が高い場合にはそのままでは環境へ通過ガスを排出することは出来ない。そのような場合には吸着剤乾燥システムを通過した排出ガスに純水蒸気を１０℃から−３０℃程度の露点になるように添加し、トリチウム濃度を希釈し、次いでトリチウム除去システムを構成している水の吸着剤を充填した吸着塔を再度通過させることにより、排出ガス中のトリチウム濃度が環境管理値以下になることが判明した。なおこの排ガスは必要に応じ再加圧することにより加圧乾燥ガス供給システム用の供給ガスとして使用することもできる。
【００４１】
水の吸着剤を充填した吸着塔の好ましい態様としてはそれぞれ少なくとも２基ずつ設け、１基が吸着塔として使用しているときは、他の少なくとも１基は脱着・再生に使用し、吸着剤乾燥システムおよびトリチウム除去システムの吸着性能の低下をもたらさないようにする。脱着・再生には吸着塔として使用している吸着塔出口ガスを再生ガスとして使用し、再生ガス加熱器で例えば２５０〜２８０℃くらいに加熱した再生ガスを再生する吸着塔に吸着時とは逆方向から供給し、吸着水を吸着剤から追い出す。しかし、多くの場合操作が間欠的であることから外部から乾燥ガスを導入することによる脱着・再生することでも良い。
【００４２】
吸着剤乾燥システムの水の吸着塔から追い出された吸着水は、冷却して劣化重水として回収する。ここで回収される重水は、使用開始時には吸着剤に軽水が吸着されているので、初めの間は重水濃度の低下した劣化重水であるが、３〜５回の吸着・再生を行うことにより、高濃度重水となってそのまま原子炉用重水として使用可能ではあるが、実際に使用される重水取扱設備内に残留する重水の絶対量が小さいことが多く、多くの場合は劣化重水として回収する方が経済的であることが多い。
このような加圧・溶解、減圧・蒸発をくり返すことによりデッドスペース内部の残留重水を短時間で安全に設備内部から除去することが可能である。
【００４３】
金属表面に付着または吸着しているトリチウム水については、乾燥空気による単なる乾燥作業のみで脱離する事が可能であるが、金属表面の酸化皮膜中のＯＨ基に含まれるトリチウムや結晶水中のトリチウムについては単なる乾燥作業では回収することは出来ない。
そこで、軽水水蒸気を供給することにより水蒸気中の軽水素と金属表面の酸化皮膜中のＯＨ基に含まれるトリチウムや結晶水中のトリチウムの間に交換反応を起こさせ、軽水素は水蒸気中に多量に存在するので結果としてトリチウムが水蒸気中へ移行することになる。一般的には重い方へトリチウムが移行することになるが、これも平衡反応であるので、濃度が高く量の多い水蒸気側へと重成分のトリチウムが移行することになる。
【００４４】
重水取扱設備に化学吸着されているトリチウムは、加湿システム１を使用することにより、重水取扱設備の表面吸着水素同位体重成分との間で交換反応を行い、水素同位体重成分を蒸気側に効率的に移行することにより化学吸着している重水素、トリチウムを重水取扱設備から取り出すことができる。
排出ガス処理システムにおけるトリチウム除去システムでは、吸着剤乾燥システムから僅かにリークしてくるトリチウム水蒸気（露点で−６０℃ないし−９０℃程度）に加湿システム２から軽水蒸気を添加し、再度モレキュラーシーブ吸着塔で乾燥することにより排気系へのトリチウム蒸気のリークを抑えようとするものである。トリチウム水蒸気と軽水水蒸気は殆ど同じ挙動を示すので、軽水水蒸気の除去率と同じ割合でトリチウム水蒸気も除去されることになり、結果においてトリチウム濃度が低下することになる。モレキュラーシーブ吸着塔を１回通すことにより、入口出口のトリチウム濃度比（除去率）は１０４  分の１〜１０５分の１程度になるが、完全になくなるわけではない。
【実施例】
【００４５】
（実施例１）
図３に示すシステムを組み、冷却システムは４℃で操作し排出ガス処理システムの吸着剤乾燥システムはモレキュラーシーブ３Ａの充填塔とした。加湿システムから軽水を供給し露点が−１０℃になるよう調節した。トリチウム除去システムにはモレキュラーシーブ４Ａの充填塔とした。露点−８０℃の乾燥加圧窒素を加圧乾燥ガス１供給系から供給し、圧力調整器２で減圧して０．３ＭＰａまで重水取扱設備に導入し、圧力調整器２を閉とした。３時間放置後圧力調整器１を開として排出ガスを急激に常圧まで低下させて露点計１で排出ガスの露点の測定を行った。この操作を繰り返した結果、露点計１の指示値の変化として図４に乾燥曲線を示す。横軸は加圧の繰り返し回数を示し縦軸は露点計１の指示値である。
回収重水中のトリチウム濃度は１０ｍＣｉ／ｇで、元の付着重水中のトリチウム濃度と同じ濃度であった。１５回の繰り返し操作の結果ベントスタック出口でトリチウムは検出できなかった。
【００４６】
（実施例２）
実施例１に記載の乾燥操作実施後に露点計１の指示値が−７０℃以下になった時点で、加圧乾燥ガスを窒素から炭酸ガス（露点−８０℃）に変更して実施例１と同様の乾燥操作を継続した。この時冷却システムはバイパスし、吸着剤回収システムはモレキュラーシーブ３Ａを使用した。この操作に伴う露点計１の指示値を図５に示す。明らかに炭酸ガスに切り替えたことにより重水取扱設備からの重水取扱設備の回収量が増加した。また、吸着剤回収システムの再生液から炭酸ガスは殆ど認められなかった。
【００４７】
（実施例３）
実施例２で露点計１の指示値が−８０℃以下になった時点で、加湿システム１から露点が−１０℃になるように加湿し、同様の操作を行った。露点計１の指示値は図６に、またサンプリングシステムでのトリチウム分析値は図７に示す。露点の指示値は−１０℃で一定であるが、トリチウム濃度は急激に低下している。トリチウム濃度は、０．０１ｍＣｉ／ｇ水であった。（乾燥が終了しているにもかかわらずトリチウムが水蒸気中へ移行したことが分かる。これは、金属表面等に吸着している重水成分と交換反応を起こしてトリチウムが回収されたことを示している。水分量としては循環ガス中の値が金属表面水分相当量に比較して相当大きいことは明かである。）
【００４８】
（実施例４）
実施例１で重水取扱設備へ供給する乾燥加圧窒素の圧力を０．７ＭＰａとした以外は同じ条件で重水取扱設備の乾燥操作を実施した。露点計１の指示値の変化を図８に示す。
【００４９】
（実施例５）
実施例１で重水取扱設備へ供給する加圧乾燥ガスを炭酸ガスとしその圧力を０．７ＭＰａとした以外は同じ条件で重水取扱設備の乾燥操作を実施した。露点計１の指示値の変化を図９に示す。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、重水取扱設備に付着した重水を、濃度をできるだけ低化させずに原子炉等に直接使用できる高濃度重水としてできるだけ多量回収をすること、特に該重水取扱設備のデッドスペースに存在するトリチウム含有水の除去、該重水取扱設備の内部表面に化学吸着または反応しているトリチウム交換反応により除去し、更には該重水取扱設備を短期間で乾燥できることが可能なる重水取扱設備の乾燥システムおよびその乾燥方法であり、設備費の大なる重水取扱設備における修理などにおいて、安全性が高く且つコストパフォーマンスを大きく改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明にかかる重水取扱設備の乾燥システムの基本概念図。
【図２】トリチウム含有重水取扱設備の乾燥システムのフローチャート。
【図３】実施例１において使用したトリチウム含有重水取扱設備の乾燥システムのフローチャート。
【図４】実施例１において繰り返しによる乾燥曲線。
【図５】実施例２（炭酸ガス使用）による繰り返しによる乾燥曲線
【図６】加湿器を使用したときの露天計１の指示値。
【図７】実施例３における繰り返しによるトリチウム回収曲線。
【図８】圧力を変えたときの露点計１における露点の変化。
【図９】加圧乾燥ガスを炭酸ガスとしたときの露点計１における露点の変化。
【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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【図８】
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【図９】
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