(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛およびビスマスを含有する低融点金属からなる液体金属を循環する装置において、前記循環する液体金属の循環流路に、不活性ガスとともに酸化ガスと還元ガスとを作用させる酸素濃度調整装置を取り付け、前記酸化ガスの分圧と前記還元ガスの分圧とを調整することにより、前記循環する液体金属中の酸素濃度を調整する液体金属循環装置。
【請求項２】
前記酸素濃度調整装置が、前記液体金属の循環流路に取り付けた膨張タンクである請求項１記載の液体金属循環装置。
【請求項３】
前記酸素濃度調整装置が、前記循環流路に介装したエジェクターである請求項１記載の液体金属循環装置。
【請求項４】
前記液体金属を循環する装置において、 前記液体金属が流動する部分に前記液体金属の酸化物より酸素との親和力が強い固体還元材を配置した請求項１〜３のいずれかに記載の液体金属循環装置。
【請求項５】
前記固体還元材が、酸素イオン導電性を有する固体電解質内に、前記液体金属より酸素親和力が強い金属酸化物と金属との混合物を挿入してなる請求項４記載の液体金属循環装置。
【請求項６】
前記液体金属と、前記固体電解質内の前記金属酸化物および金属との間に電位を掛けて、前記液体金属中から前記固体電解質内の前記金属酸化物および金属側に酸素イオンを移動させることにより、前記液体金属中の酸素濃度を減少させるようにした請求項５記載の液体金属循環装置。
【請求項７】
前記液体金属を循環する装置において、前記液体金属が流動する部分に前記液体金属の酸化物より酸素との親和力が弱い固体酸化物を固体酸化材として配置した請求項１〜３のいずれかに記載の液体金属循環装置。
【請求項８】
前記固体酸化材が、酸素イオン導電性を有する固体電解質内に、前記液体金属より酸素親和力が弱い金属酸化物と金属との混合物あるいは酸素分圧が０. ０５以上の気体を挿入してなる請求項７記載の液体金属循環装置。
【請求項９】
前記液体金属と、前記固体電解質内の前記金属酸化物および金属との間に電位を掛けて、前記固体電解質側から前記液体金属側に酸素イオンを移動させることにより、前記液体金属中の酸素濃度を増加させるようにした請求項８記載の液体金属循環装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体金属循環装置に関し、更に詳細には例えば高速増殖炉の炉心温度制御用の熱媒体として使用する鉛およびビスマスを含有する低融点金属を使用する際に使用できる液体金属循環装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば高速増殖炉の炉心冷却媒体としてナトリウムを使用することが主流となっているが、その他の金属として鉛およびビスマスを原子力潜水艦の原子炉用冷却媒体として実用された実績がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ナトリウムは空気に触れると激しく燃焼する性質があり、過去において事故が発生したいきさつがあり、冷却用金属として鉛およびビスマスを含有する低融点金属が検討される機運が生じている。鉛、ビスマスなどは、空気に触れて酸化される際にナトリウムのように燃焼することはないが、金属を腐蝕させる性質があるため、腐食対策が必要であることが知られている。
【０００４】
この腐蝕問題を解決する提案として、特開２００１- ２７２４９３号公報に記載された手段は、鉛などの金属腐蝕特性が溶存する酸素濃度に依存し、酸素濃度が１０-7〜１０-5質量％の範囲内にあるときが最小になることに着目したものであり、液体金属循環装置の膨張タンクのカバーガスに酸素を供給し、更に配管中に流速を早めた材料試験部を設けると共に、不純物を除去する手段としてバイパス通路にコールドトラップを設けたものである。
【０００５】
前記のように膨張タンクに酸素ガスを注入する手段は、液体金属表面に金属酸化物（スラグ）が形成され、循環する液体金属中に混入し、流路閉塞や、液体金属の熱伝導性の低下が生じ、また，酸素濃度を低減させることができないため、装置構成材料の表面に形成される酸化皮膜が著しく成長し、酸素腐食が生じることを防止できないなどの問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであり、原子炉、その関連施設などに使用される鉛、ビスマスなど低融点金属中の溶存酸素濃度を調整し、装置構成材の腐蝕抑制、循環流路の閉塞防止を可能にした液体金属循環装置を提供することを第１の目的としている。
【０００７】
更に本発明は、循環している液体金属に形成された金属酸化物を除去・調整しし、流路閉塞や液体金属の伝熱特性などの劣化を防止する方法を提供することを第２の目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の液体金属循環装置は、鉛およびビスマスを含有する低融点金属からなる液体金属を循環する装置において、前記循環する液体金属の循環流路に、不活性ガスとともに酸化ガスと還元ガスとを作用させる酸素濃度調整装置を取り付け、前記酸化ガスの分圧と前記還元ガスの分圧とを調整することにより、前記循環する液体金属中の酸素濃度を調整するものである。
【０００９】
前記低融点金属としては、鉛およびビスマスを低融点金属中に含むことを要件とするが、その量は少なくとも５質量％含むことが好ましい。また鉛およびビスマスは、鉛が４４・５重量％、ビスマスが５５．５重量％の鉛−ビスマス合金を使用することができ、鉛・ビスマスのみで液体金属を構成することもできる。また、空気中で安定したその他の低融点金属を使用することもできる。
【００１０】
酸素濃度調整装置には特に限定はないが、例えば液体金属の循環流路に取り付けた膨張タンク、液体金属の循環流路に介装したエジェクターなどとすることができる。
【００１１】
膨張タンクを酸素濃度調整装置とする場合は、液体金属に作用させる酸化ガスおよび還元ガスの少なくともいずれかを、膨張タンクの不活性ガスからなるカバーガスに添加して使用することができ、更にカバーガスに混入した酸化ガスおよび還元ガスの少なくともいずれかを膨張タンク内の液体金属中に吹き込み、気液接触を密に行わせるようにすることができる。
【００１２】
循環流路に介装したエジェクターを酸素濃度調整装置として使用する場合は、酸化および還元ガスの少なくともいずれかをエジェクターに吸引させ、液体金属中に混入させることができる。この場合、酸化ガス、還元ガスのいずれか、または両方を不活性ガスに混合して使用することができる。
【００１３】
前記酸化ガスおよび還元ガスには特に限定はないが、例えば酸化ガスとして水蒸気を、また還元ガスとして水素とする組としたもの、または酸化ガスとして二酸化炭素ガスを、また還元ガスとして一酸化炭素ガスとする組としたものを使用することができる。
【００１４】
酸化ガス・還元ガスとして前記水素ガスおよび水蒸気を使用する場合には、不活性ガス、水素ガス、水蒸気ガスの成分比（分圧）を変えることで還元ガスあるいは酸化ガスとして作用させることができる。この場合不活性ガスと水素ガス、また不活性ガスと水蒸気の組合わせも使用することができる。二酸化炭素、一酸化炭素を使用する場合のも同様とすることができる。
【００１５】
前記不活性ガスには特に限定はないが、ヘリウム、 アルゴン、 窒素などの少なくともいずれかのガスを使用することができる。また水素を不活性ガスに添加して使用する場合、その濃度は０．１重量％以上とすることが好ましい。なお不活性ガスに水素ガスを添加する目的として、不活性ガス中の不純物や大気中の酸素の混入によりカバーガスとして使用する不活性ガスによる液体金属の酸化を防止する目的が含まれている。
【００１６】
本発明の前記第２の目的を達成するための本発明の液体金属循環装置は、液体金属を循環する装置において、 液体金属が流動する部分に前記液体金属の酸化物より酸素との親和力が強い固体還元材を配置して液体金属を還元することができる。
【００１７】
固体還元材には特に限定はないが、例えば、鉄Fe、チタンTi 、ジルコニウムZr、マグネシウムMg、カルシウムCa、インジウムIi、炭素Ｃなどを使用することができる。またその形状や性状には特に限定はなく、板状、粉末状、フィルター（網目）状、多孔質成型体などとすることができる。
【００１８】
前記固体還元材のほかに、酸素イオン導電性を有する固体電解質内に、液体金属より酸素親和力が強い金属酸化物と金属との混合物を挿入した固体還元材を使用することができる。前記固体還元材には特に限定はないが、例えば酸化インジウム系、酸化錫系などを使用することができる。
【００１９】
前記固体電解質としては特に限定はないが、例えば酸化イットリウム（イットリア）を添加した酸化ジルコニウム（ジルコニア）、酸化マグネシウム（マグネシア）を添加した酸化ジルコニウム（ジルコニア）などを使用することができる。
【００２０】
前記固体電解質内に金属酸化物又は金属を挿入する方法としては、例えば固体電解質によりカプセル状などの容器を作り、その中に金属酸化物および金属入れるなどの方法を例示することができる。
【００２１】
また、液体金属と前記固体電解質内の前記金属酸化物および金属との間に電位を掛けて、前記液体金属中から前記固体電解質内の前記金属酸化物および金属側に酸素イオンを移動させることにより、前記液体金族中の酸素濃度を減少させることによって前記還元を行なわせることができる。前記電位を与えるとは、両者の間に電位差を与えることであり、具体的な方法としては電圧を与えることである。
【００２２】
また、本発明の前記と異なる第２の目的を達成するための液体金属循環装置は、液体金属を循環する装置において、液体金属が流動する部分に前記液体金属の酸化物より酸素との親和力が弱い固体酸化物を固体酸化材として配置したものである。
【００２３】
前記固体酸化物としては特に限定はないが、例えば酸化鉛、酸化ビスマスなどを使用することができる。
【００２４】
また前記固体酸化物として、酸素イオン導電性を有する固体電解質内に、液体金属より酸素親和力が弱い金属酸化物と金属との混合物あるいは酸素分圧が０. ０５以上の気体を挿入したものを使用することができる。
【００２５】
前記固体電解質には特に限定はないが、例えば酸化イットリウム（イットリア）を添加した酸化ジルコニウム（ジルコニア）、酸化マグネシウム（マグネシア）を添加した酸化ジルコニウム（ジルコニア）などを使用することができる。
【００２６】
また液体金属と、固体電解質内の前記金属酸化物および金属との間に電位を掛けて、前記固体電解質側から前記液体金属側に酸素イオンを移動させることにより、前記液体金属中の酸素濃度を増加させることができる。
【００２７】
なお、循環流路中の液体金属に同伴される金属酸化物などの固体不純物は、従来からこの種装置で使用される除去装置、例えばフィルター、コールドトラップなどを適宜使用することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下添付の図面を参照する実施の形態を示し、 本発明を具体的に説明する。
【００２９】
図１に示す第１実施の形態による液体金属循環装置は、材料腐食試験などを行う目的で作成したものであり、液体金属を加熱する加熱源として、熱源加熱器１ａを炉心に見立てた想定原子炉１を使用し、循環流路２中を流れる鉛・ビスマス合金などの低融点液体金属Ｍを、電磁ポンプ３によって循環駆動するようにしている。
【００３０】
上記循環経路を図１について説明すると、電磁ポンプ３を出た液体金属Ｍは流量計４によって流量を計測され、エコノマイザー５に流入し、原子炉１によって加熱された液体金属Ｍと交流的に流れて熱交換し、所定温度とした後原子炉１に供給される。
【００３１】
原子炉１において炉心の冷却によって加熱された液体金属Ｍは試験部６に送られた後、液体金属に溶存する酸素濃度計測部である酸素センサーポット７に送られる。酸素センサーポット７では、固体電解質を用いた酸素センサーにより酸素濃度を計測を行う。なお図１に示した試験部６および酸素センサー７は透視図的に記載されている。また、試料部６においては、循環する液体金属Ｍによる腐食試験を実施する。
【００３２】
酸素センサー７を出た液体金属Ｍはエコノマイザー５に送られ、電磁ポンプ３から送出された液体金属Ｍと熱交換した後、空気冷却器８に送られる。空気冷却器８は、送風機８ａから送られた空気によって液体金属Ｍを冷却するものであり、図１に示された符号８ｂは吸気フィルターであり、８ｃは排気フィルターである。
【００３３】
空気冷却器８を出た液体金属Ｍは、膨張タンク９に送られた後、 電磁ポンプ３に還流する。その還流流路２′に、バルブ１０および１１が介装されており、バルブ１０と並列的に機械式ポンプ１２を接続するバイパス路２ａを着脱自在に取り付けている。なお機械式ポンプ１２は電磁ポンプ３の容量を越えて大流量を実現するときに使用する。
【００３４】
またバルブ１１と並列的にそれぞれバルブ11ａ、11ｂで循環流路２から切り離し可能にしたフィルター１３を取り付けており、液体金属酸化物（図示せず）などの固形夾雑物を除去できるようにしている。フィルター13のろ材としては、金属ストレーナやシリカ（SiO2）含有ガラス繊維などを使用することができる。なお、フィルター１３に代えて、例えば酸素センサー７とエコノマイザー５との間にバイパスろを設け、このバイパス路にコールドトラップを取り付けることもできる
前記膨張タンク９は、温度の変化などで液体金属循環装置内の液体金属の膨張・収縮を吸収するための貯槽であり、循環路２から送り込まれた液体金属Ｍは、一旦膨張タンク９内に送り込まれた後、タンク底部から電磁ポンプ３に向かって排出するように形成されている。
【００３５】
カバーガスＧは、例えばヘリウムＨｅ、アルゴンＡｒ、窒素Ｎ2 などが使用され、酸素センサー７その他の測定データに基づき、酸化ガス、還元ガスの少なくともいずれかが添加されて、膨張タンク９に供給される。そして第１実施の形態においては、直接膨張タンク９内の液体金属Ｍに直接供給されるように、ガス供給管９ａの先端を液体金属Ｍ内に開口するように取り付け、カバーガスＧを液体金属Ｍ中でバブリングさせ、 添加された酸化ガス、還元ガスが液体金属またはその酸化物との反応が促進されるようにした。
【００３６】
膨張タンク９内のカバーガスＧは、排気管９ｂから排出される。なお図１に示す符号９ｃは排気フィルターであり９ｄは真空ポンプである。なお真空ポンプ９ｄはダンプタンク１５から揚液する場合、逆にダンプタンク１５に排液して循環装置を開放した後. 装置内を真空に保持するために使用するものである。酸化ガス、還元ガスを使用する場合は、バルブ９ｆ、９ｇを操作し、を一定圧力・流量で流通させる。なお図１に示す符合９ｅはバルブである。
【００３７】
還元ガスに水素を使用する場合は、その添加量を０．１重量％以上とすることが好ましい。カバーガスＧに添加する酸化ガス・還元ガスの分圧は水分濃度計や水素ガスや炭酸ガス濃度を分析するガス分析器を用いて管理する。また分圧制御は、ガス混合木などを使用して行うことができる。
【００３８】
なお図１に示す符号１５はダンプタンク、１６はダンプタンク１５のカバーガスを供給するガスボンベからなるガス供給器であり、カバーガスの圧力を高くすることにより液体金属循環ループに揚液することができる。
【００３９】
第２実施の形態の液体金属循環装置は、図２に示すように、酸素濃度調整装置として膨張タンクを使用した第１実施の形態に代えてエジェクターを図１のバルブ１０に代えて介装した。このようにするとエジェクターの液体金属の流速が速まるノズル部分に酸化ガスおよび／または還元ガスを添加した不活性ガスが吸引・混合されるので、液体金属中の酸素濃度調整効果を向上させることができる。つまり、循環している液体金属中に注入するため、液体金属と酸素濃度制御ガスの接触時間が長く、効率的な酸素濃度制御が可能である。ポンプに十分な能力があれば、エジェクターの圧力損失を利用してガスを自給することができるが、ポンプに能力がない場合は加圧したガスを注入することで同様な効果が得られる。
【００４０】
第３実施の形態の変形例として、膨張タンク９内に鉄Ｆｅ，チタンＴｉ、ジルコニウムＺｒ、マグネシウムＭｇ、カルシウムＣａ、炭素Ｃなど、液体金属酸化物より酸素との親和力の強い固体還元材を板状、粉末状、フィルターまたはメッシュ状、多孔質成型体など液体金属Ｍとの接触面積を大きくした形状にして取り付け（図示せず）、膨張タンク９内を常時還元状態に保つようにした。
【００４１】
第４実施の形態の金属循環装置は、固体還元材と酸化鉛や酸化ビスマスなどを、液体金属Ｍとの接触面積を大きくした形状で取り付けた。このように固体還元材と固体酸化材とを用いることにより、液体金属Ｍの酸素濃度の制御ができる。
【００４２】
別の実施の形態として、酸素イオン導電性固体電解質内に金属酸化物・金属を挿入した酸化／還元装置を取り付け、液体金属Ｍと金属酸化物・金属の間に電位を与えて酸素濃度の制御を行うことができる。固体電解質としてはイットリア安定ジルコニアがあり、酸化装置の金属酸化物・金属には酸化鉛や金属ビスマスなどでる。また、還元装置の金属・金属酸化物には酸化インジウム・金属インジウムや酸化錫・金属錫などがある。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の液体金属循環装置は、液体金属中の酸素濃度を希望する範囲に制御することができるので、液体金属流路である金属管内壁に好ましい酸化皮膜を形成することができるので、管壁の腐蝕画抑制と、液体金属酸化物の形成とを抑制することができる。
【００４４】
また気層部に微量の水素ガスを含む不活性ガスの使用したり、また固体還元材を液体金属内に配置したりすることにより、金属酸化物による流路閉塞や液体金属の熱伝導特性の低下などを防止することできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体金属循環装置を原子炉の炉心冷却に適用した第１実施の形態の装置の構成を斜視図により、一部透視図的に示した装置概要説明図である。
【図２】本発明の液体金属循環装置を原子炉の炉心冷却に適用した第２実施の形態の装置の構成の一部を示す装置概要説明図である。
【図１】
0003881577.tif 000002
【図２】
0003881577.tif 000003