(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛ビスマス溶液を内蔵している機器に、その一部が前記鉛ビスマス溶液に液浸するように備えられ、前記鉛ビスマス溶液に調整ガスを加えることによって前記鉛ビスマス溶液中の酸素濃度を所定範囲内に管理する酸素濃度管理装置であって、
内筒と、前記内筒をその内側に配置した中筒と、前記中筒をその内側に配置した外筒とを備えた３重筒構成をなし、
前記内筒には、前記調整ガスが供給されるようにしており、この供給された調整ガスを気泡化して内筒下端部から前記内筒と前記中筒との間の空間である第１の間隙へ排出し、
前記機器に内蔵されている鉛ビスマス溶液が、中筒下端部から前記第１の間隙へ導入されるようにしているとともに、
前記内筒から排出された前記調整ガスの気泡が、前記第１の間隙内に導入された鉛ビスマス溶液内を上昇することによって、この鉛ビスマス溶液と混合しながらこの鉛ビスマス溶液を同伴上昇させることによって、前記第１の間隙に導入された鉛ビスマス溶液の液位を、前記機器に内蔵されている鉛ビスマス溶液の液位よりも高め、この液位の高められた鉛ビスマス溶液を、前記中筒に穿孔された連通孔を介して前記中筒と前記外筒との間の空間である第２の間隙へ排出し、
前記第２の間隙へと排出された鉛ビスマス溶液が、この鉛ビスマス溶液と前記機器に内蔵された鉛ビスマス溶液との液位差を駆動力として前記第２の間隙内を下降し、前記外筒の下端部から前記機器側に排出されるようにしたことを特徴とする酸素濃度管理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の酸素濃度管理装置において、
前記機器に内蔵されている鉛ビスマス溶液中の酸素濃度が前記所定範囲よりも低い場合には、前記調整ガスは、酸素ガスを含んでおり、
前記所定範囲よりも高い場合には、前記調整ガスは、水素ガスを含んでいるようにしたことを特徴とする酸素濃度管理装置。
【請求項３】
請求項２に記載の酸素濃度管理装置において、
前記機器に内蔵されている鉛ビスマス溶液中の酸素濃度を測定する酸素濃度計を付加したことを特徴とする酸素濃度管理装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の酸素濃度管理装置において、
前記第２の間隙内を下降する鉛ビスマス溶液中に含まれる不純物を除去するフィルタを、前記第２の間隙内に備えたことを特徴とする酸素濃度管理装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の酸素濃度管理装置において、
前記鉛ビスマス溶液を鉛溶液に代えたことを特徴とする酸素濃度管理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速増殖炉のように、例えば冷却材として鉛又は鉛ビスマスが用いられるプラントに適用されるものであって、鉛又は鉛ビスマス中の酸素濃度を管理する酸素濃度管理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のナトリウムを冷却材として用いている高速増殖炉（ＦＢＲ）プラントには、軽水炉にない二次冷却系が設置されている。この二次冷却系を削除する有望な概念として、冷却材として鉛又は鉛ビスマス（以下、「鉛ビスマス等」と称する。）を用いたＦＢＲプラントが検討されている。また、加速器駆動核変換プラントにおいても、その冷却材に鉛ビスマス等が用いられている。
【０００３】
鉛ビスマス等は、所定値よりも酸素濃度が高い場合には、材料の酸化腐食を増大させ、逆に所定値よりも酸素濃度が低い場合には、鉛ビスマス等によるコロージョンを促進させる。鉛ビスマス等は、このような特性を有しているために、上述したＦＢＲプラントや加速器駆動核変換プラントのように鉛ビスマス等を冷却材として用いるプラントにおいては、鉛ビスマス等に含まれる酸素濃度を所定範囲内に管理する必要がある。
【０００４】
鉛ビスマス等の酸素濃度を管理する方法としては、水素ガス、酸素ガス（又は水蒸気）を鉛ビスマス等に注入する方法が有効である。図５は、このような方法を適用した従来の酸素濃度管理装置の一例を示す系統構成図である。
【０００５】
すなわち、従来の酸素濃度管理装置では、水素ガス４１とアルゴンガス４２と水蒸気４３とが混合タンク４４において混合された混合ガスＧが、ガス配管４６を介してエジェクタ４７に導かれる。そして、この混合ガスＧは、エジェクタ４７によって、鉛ビスマス等６に注入される。
【０００６】
このように混合ガスＧが注入された鉛ビスマス等６は、ポンプ４８に導かれる。そして、ポンプ４８に備えられた回転翼４９によって攪拌されることによって鉛ビスマス等６と混合ガスＧとが効率良く混じり合い、鉛ビスマス等６の酸素濃度が調節されている。
【０００７】
このように鉛ビスマス等６と混合された混合ガスＧのうち、水蒸気は、ポンプ４８のカバーガス空間５０に移行する。このカバーガス空間５０には、常温に冷却された水分除去器５１が設けられており、カバーガス空間５０に移行した水蒸気が水分除去器５１によって除去される。
【０００８】
ポンプ出口５２に接続している鉛ビスマス等配管５３には、鉛直方向に配設された分岐配管５４が接続されている。ポンプ４８において鉛ビスマス等６と混合された混合ガスＧが鉛ビスマス等配管５３に吐出されると、この混合ガスＧのうち水素ガスおよびアルゴンガスからなる気体成分は、鉛ビスマス等配管５３と分岐配管５４との接続部において上昇することによって鉛ビスマス等６から分離され、分岐配管５４を通ってバッファタンク５５へ導かれる。
【０００９】
このように気体成分が分離された鉛ビスマス等６は、鉛ビスマス等配管５３を通ってフィルタ５６へと導かれる。このフィルタ５６では、エジェクタ４７より注入された混合ガスＧと、鉛ビスマス等６との化学反応によって生成した反応化合物が捕獲される。また、酸素計５８は、温度が高い方が感度が良くなるので、フィルタ５６の下流側には加熱器５７が設けられている。鉛ビスマス等配管５３を通って加熱器５７に導かれた鉛ビスマス等６は、この加熱器５７によって加熱され、鉛ビスマス等６に含有される酸素濃度が酸素計５８によって精度良く測定される。
【００１０】
更に酸素計５８の下流には冷却器５９が設けられており、冷却器５９の外周を流れる冷却水６０によって鉛ビスマス等６が冷却され、ポンプ４８に戻される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の酸素濃度管理装置では、以下のような問題がある。
【００１２】
すなわち、図５にその構成を示す酸素濃度管理装置では、鉛ビスマス等６に混合ガスＧを注入するので、鉛ビスマス等６には気泡Ｖが存在する。このように気泡Ｖを含んだ流体を駆動させるためには、機械的に回転させて駆動させる機械式ポンプを採用する必要がある。
【００１３】
このような機械式ポンプは、油冷却設備等の付属設備が必要である。したがって、機械式ポンプを採用している従来の酸素濃度管理装置は、必然的にサイズが大型化してしまうため、この酸素濃度管理装置を設置するプラントは、広い設置スペースを確保しなくてはならないという問題がある。
【００１４】
なお、高流量での吐出には適さないものの、コンパクトなポンプとしては電磁ポンプがある。しかし、電磁ポンプは、上述したように気泡Ｖを含む流体を駆動することはできないので、採用することはできない。
【００１５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、油冷却設備等の付帯設備が不要な気泡ポンプを、機械式ポンプに代えて適用することによって、サイズのコンパクト化を図り、もって、狭い空間においても設置することが可能な酸素濃度管理装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では、以下のような手段を講じる。
【００１７】
すなわち、請求項１の発明では、鉛ビスマス溶液を内蔵している機器に、その一部が鉛ビスマス溶液に液浸するように備えられ、鉛ビスマス溶液に調整ガスを加えることによって鉛ビスマス溶液中の酸素濃度を所定範囲内に管理する酸素濃度管理装置であって、内筒と、内筒をその内側に配置した中筒と、中筒をその内側に配置した外筒とを備えた３重筒構成をなしている。
【００１８】
そして、内筒には、調整ガスが供給されるようにしており、この供給された調整ガスを気泡化して内筒下端部から内筒と中筒との間の空間である第１の間隙へ排出する。また、機器に内蔵されている鉛ビスマス溶液が、中筒下端部から第１の間隙へ導入されるようにしている。
【００１９】
更に、内筒から排出された調整ガスの気泡が、第１の間隙内に導入された鉛ビスマス溶液内を上昇することによって、この鉛ビスマス溶液と混合しながらこの鉛ビスマス溶液を同伴上昇させることによって、第１の間隙に導入された鉛ビスマス溶液の液位を、機器に内蔵されている鉛ビスマス溶液の液位よりも高め、この液位の高められた鉛ビスマス溶液を、中筒に穿孔された連通孔を介して中筒と外筒との間の空間である第２の間隙へ排出する。
【００２０】
更にまた、第２の間隙へと排出された鉛ビスマス溶液が、この鉛ビスマス溶液と機器に内蔵された鉛ビスマス溶液との液位差を駆動力として第２の間隙内を下降し、外筒の下端部から機器側に排出されるようにしている。
【００２１】
請求項２の発明では、請求項１の発明の酸素濃度管理装置において、機器に内蔵されている鉛ビスマス溶液中の酸素濃度が所定範囲よりも低い場合には、調整ガスは、酸素ガスを含んでおり、所定範囲よりも高い場合には、調整ガスは、水素ガスを含んでいるようにする。
【００２２】
請求項３の発明では、請求項２の発明の酸素濃度管理装置において、機器に内蔵されている鉛ビスマス溶液中の酸素濃度を測定する酸素濃度計を付加する。
【００２３】
請求項４の発明では、請求項１乃至３のうちいずれか１項の発明の酸素濃度管理装置において、第２の間隙内を下降する鉛ビスマス溶液中に含まれる不純物を除去するフィルタを、第２の間隙内に備える。
【００２４】
請求項５の発明では、請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の酸素濃度管理装置において、鉛ビスマス溶液を鉛溶液に代える。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２６】
本発明の実施の形態を図１から図４を用いて説明する。
【００２７】
図１は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度管理装置の構成例を示す立断面図である。
【００２８】
また、図２は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度管理装置の適用例を示す概念図であって、ここでは、鉛ビスマス等を冷却材として用いているＦＢＲの原子炉容器に設置した場合を示している。
【００２９】
すなわち、本発明の実施の形態に係る酸素濃度管理装置１は、その構成を図１に示すように、内側からガス注入管２、中筒３、および外筒４からなる３重筒構造で構成しており、図２に示すように、略中心高さよりも下部側を被検流体である鉛ビスマス等６に液浸して配置する。
【００３０】
そして、本発明の実施の形態に係る酸素濃度管理装置１は、後述する鉛ビスマス等入口７の近傍に、酸素計８と水素計９とを備えており、酸素計８によって鉛ビスマス等６に含まれる酸素濃度を測定し、水素計９によって鉛ビスマス等６に含まれる水素濃度を測定している。
【００３１】
そして、酸素計８による測定結果に基づいて、原子炉容器１０内の鉛ビスマス等６に含まれる酸素濃度が高い場合には、水素ガス供給系１１から供給される水素ガスと、アルゴンガス供給系１２から供給されるアルゴンガスとを混合させた混合ガスを、鉛ビスマス等６に注入することによって酸素濃度を下げる。一方、酸素濃度が低い場合には、酸素ガス供給系１３から供給される酸素ガスと、アルゴンガス供給系１２から供給されるアルゴンガスとを混合させた混合ガスを注入し、酸素濃度を上げる。このようにすることによって、鉛ビスマス等６に含まれる酸素濃度を所定範囲内に制御するようにしている。
【００３２】
ガス注入管２は、混合ガス供給配管１４に接続しており、混合ガス供給配管１４を介して供給される混合ガスＧを上部側から導入する。また、ガス注入管２は、その下端にバブラー１６を備えており、導入された混合ガスＧがこのバブラー１６によって気泡化され、ガス注入管２と中筒３との間隙１７に排出されるようにしている。
【００３３】
中筒３は、その下端に鉛ビスマス等入口７を備えている。したがって、原子炉容器１０内の鉛ビスマス等６が、この鉛ビスマス等入口７から間隙１７に流入する。
【００３４】
バブラー１６から、間隙１７に排出された混合ガスＧの気泡は、鉛ビスマス等６よりも密度が軽いために中筒３内部を上昇する。これによって、気泡Ｖを含む中筒３内の鉛ビスマス等６の密度は、原子炉容器１０内の鉛ビスマス等６の密度よりも小さくなる。このため、鉛ビスマス等６の液面１９は、原子炉容器１０内の鉛ビスマス等６の液面２０よりも上昇する。
【００３５】
すなわち、間隙１７内の鉛ビスマス等６内を気泡Ｖとして上昇する混合ガスＧは、間隙１７内の鉛ビスマス等液面１９を原子炉容器１０内の鉛ビスマス等液面２０より高くするための気泡ポンプとして作用する。
【００３６】
このように気泡ポンプとして作用した混合ガスＧは、液面１９を経てガス空間部２１内を上昇する。そして、上部出口２３から排出されるようにしている。このように上部出口２３から排出された混合ガスＧは除湿器２４によって水分が除去され、気体廃棄物処理系２５に送られ、ここで気体廃棄物として処理されるようにしている。
【００３７】
また、中筒３はその略中心高さ付近に穿孔された連通孔２６を備えており、流入した鉛ビスマス等６がこの連通孔２６から外筒４側に流出する。これによって、外筒４と中筒３との間の間隙２７の鉛ビスマス等６の液面１９もまた原子炉容器１０内における液面２０よりも高くなる。外筒４と中筒３との間隙２７には、混合ガスＧが存在しないので、この間隙２７にある鉛ビスマス等６の密度は、原子炉容器１０内の鉛ビスマス等６の密度と同じである。したがって、液面１９と液面２０との液面差が駆動力となり、この間隙２７にある鉛ビスマス等６は下方に流れる。
【００３８】
中筒３と外筒４との間隙２７の液面１９より低い部位には、フィルタ２９を装填している。一方、混合ガスＧ中に含まれる水素ガスは、中筒３内の鉛ビスマス等６に含まれる酸素と反応（酸素は鉛ビスマスと反応）して化合物を生成する。したがって、フィルタ２９は、この間隙２７を流下する鉛ビスマス等６に含まれる化合物を捕獲する。
【００３９】
このように中筒３と外筒４との間隙２７を流下する鉛ビスマス等６は、フィルタ２９によって化合物が捕獲された後に、外筒４の下端部に設けられた鉛ビスマス等出口３０から原子炉容器１０内に戻る。
【００４０】
なお、外筒４の上端側には遮へい体３２を装填し、更に原子炉容器上蓋３３にシール溶接しており、アルゴンガス供給系１２からアルゴンガスが供給され、一定圧力のアルゴンガス雰囲気とされているカバーガス部３４の密封性を維持するようにしている。
【００４１】
次に、以上のように構成した本発明の実施の形態に係る酸素濃度管理装置の動作について、図３に示すフローチャートを用いて説明する。
【００４２】
まず、本発明の実施の形態に係る酸素濃度管理装置１を、図２に示すように原子炉容器１０内に配置する。本発明の実施の形態に係る酸素濃度管理装置１は、図５に示す回転翼４９のような駆動部を要する機械式のものではないので、コンパクト化が図られる。このため、図２に示すように、被検流体である鉛ビスマス等６が貯液された原子炉容器１０内に直接設置される。すなわち、この酸素濃度管理装置１を設置する専用の設置スペースを必要としない。また、動的な駆動部を要さないことにより、メンテナンスも不要となる。
【００４３】
このような本発明の実施の形態に係る酸素濃度管理装置１を、鉛ビスマス等６の酸素濃度管理に適用すると、まず、酸素計９によって原子炉容器１０内の鉛ビスマス等６に含まれる酸素濃度が測定される（Ｓ１）。そして、測定された酸素濃度が所定範囲内である場合（Ｓ２：Ｙｅｓ）にはステップＳ１の処理に戻る。
【００４４】
一方、測定された酸素濃度が所定範囲よりも高い場合（Ｓ２：Ｎｏ）（Ｓ３：高）には、アルゴンガス供給系１２から供給されるアルゴンガスと、水素ガス供給系１１から供給される水素ガスとが混合されてなる混合ガスＧが、混合ガス供給配管１４を介して供給される（Ｓ４）。これによって鉛ビスマス等６に含まれる酸素濃度が低減される。そして、ステップＳ１に戻って、この酸素濃度が測定される。
【００４５】
また、測定された酸素濃度が所定範囲よりも低い場合（Ｓ２：Ｎｏ）（Ｓ３：低）には、アルゴンガス供給系１２から供給されるアルゴンガスと、酸素ガス供給系１３から供給される酸素ガスとが混合されてなる混合ガスＧが、混合ガス供給配管１４を介して供給される（Ｓ５）。これによって鉛ビスマス等６に含まれる酸素濃度が高められる。そして、ステップＳ１に戻って、この酸素濃度が測定される。
【００４６】
次に、ステップＳ４およびステップＳ５においてなされる混合ガスＧの導入時の動作について図４のフローチャートを用いて説明する。
【００４７】
すなわち、アルゴンガスと水素ガスとからなる混合ガスＧ、あるいはアルゴンガスと酸素ガスからなる混合ガスＧが、混合ガス供給配管１４を介してその上部からガス注入管２に注入される（Ｓ１０）。そして、この注入された混合ガスＧは、ガス注入管２の下端に備えられたバブラー１６によって気泡化されて、ガス注入管２と中筒３との間隙１７に排出される（Ｓ１１）。
【００４８】
なお、中筒３の下端には、鉛ビスマス等入口７が備えられており、原子炉容器１０内の鉛ビスマス等６が、この鉛ビスマス等入口７から間隙１７に流入してくる。
【００４９】
ステップＳ１１で説明したようにバブラー１６から、間隙１７に排出された混合ガスＧの気泡Ｖは、間隙１７に流入している鉛ビスマス等６よりも密度が軽いために、間隙１７内部を上昇するようになる（Ｓ１２）。
【００５０】
これによって、鉛ビスマス等６に含まれる酸素濃度が調整されるとともに、気泡を含む中筒３内の鉛ビスマス等６の密度は、原子炉容器１０内の鉛ビスマス等６の密度よりも小さくなるために、間隙１７内の鉛ビスマス等６の液面１９は、原子炉容器１０内の鉛ビスマス等６の液面２０よりも上昇するようになる（Ｓ１３）。
【００５１】
このように、間隙１７内を上昇する混合ガスＧは、鉛ビスマス等６の酸素濃度を調整するのみならず、間隙１７内の鉛ビスマス等６の液面１９を原子炉容器１０内の鉛ビスマス等６の液面２０より高くするための気泡ポンプとして作用するようになる。
【００５２】
なお、このように気泡ポンプとして作用した混合ガスＧは、液面１９を経てガス空間部２１内を上昇し、上部出口２３から排出される。更に、除湿器２４によって水分が除去され、気体廃棄物処理系２５に送られ、ここで気体廃棄物として処理される。
【００５３】
また、間隙１７に流入した鉛ビスマス等６は、連通孔２６から外筒４と中筒３との間の間隙２７に流出する（Ｓ１４）。これによって、間隙２７の鉛ビスマス等６の液面１９もまた原子炉容器１０内における液面２０よりも高くなる。外筒４と中筒３との間隙２７には、混合ガスＧが存在せず、この間隙２７にある鉛ビスマス等６の密度は、原子炉容器１０内の鉛ビスマス等６の密度と同じであることから、液面１９と液面２０との液面差が駆動力となり、この間隙２７にある鉛ビスマス等６は下方に流れ、フィルタ２９の間を通過するようになる（Ｓ１５）。
【００５４】
ガス注入管２に注入される混合ガスＧが、水素ガスを含む場合には、この水素ガスが鉛ビスマス等６に含まれる酸素と反応して化合物が生成されているが、この化合物は、ステップＳ１５で説明したように鉛ビスマス等６がフィルタ２９の間を通過することによって、フィルタ２９に捕獲される（Ｓ１６）。
【００５５】
しかる後に、間隙２７を流下する鉛ビスマス等６は、外筒４の下端部に設けられた鉛ビスマス等出口３０から原子炉容器１０内に排出され、原子炉容器１０内の鉛ビスマス等６の酸素濃度が調節される（Ｓ１７）。
【００５６】
上述したステップＳ１０からステップＳ１７の動作を繰り返し行うことによって、原子炉容器１０内の鉛ビスマス等６に含まれる酸素濃度が所定範囲内になるように調節される。
【００５７】
上述したように、本発明の実施の形態に係る酸素濃度管理装置においては、上記のような作用により、酸素濃度を管理するために供給する混合ガスＧを、酸素濃度管理装置１内に鉛ビスマス等６を流動させる気泡ポンプとしても利用することができる。
【００５８】
これによって、機械式ポンプが不要となるために、サイズのコンパクト化を図ることができるとともに、図１に示すように簡素な構成とすることができる。
【００５９】
すなわち、配置スペースが少なくて済むために、ＦＢＲの原子炉容器１０のみならず、鉛ビスマス等６を用いている他プラントの設備にも、容易に設置することが可能である。
【００６０】
以上、本発明の好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、付帯設備が不要な気泡式ポンプを、機械式ポンプに代えて適用することができる。
【００６２】
以上により、サイズのコンパクト化を図ることが可能となり、もって、狭い空間においても設置することが可能な酸素濃度管理装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る酸素濃度管理装置の構成例を示す立断面図
【図２】本発明の実施の形態に係る酸素濃度管理装置の適用例を示す概念図
【図３】本発明の実施の形態に係る酸素濃度管理装置の動作を示すフローチャート
【図４】混合ガスの導入時の動作を示すフローチャート
【図５】従来技術の酸素濃度管理装置の構成を示す系統構成図
【符号の説明】
Ｇ…混合ガス
Ｖ…気泡
１…酸素濃度管理装置
２…ガス注入管
３…中筒
４…外筒
６…鉛ビスマス等
７…鉛ビスマス等入口
８，５８…酸素計
９…水素計
１０…原子炉容器
１１…水素ガス供給系
１２…アルゴンガス供給系
１３…酸素ガス供給系
１４…混合ガス供給配管
１６…バブラー
１７，２７…間隙
１９…液面（酸素濃度管理装置内）
２０…液面（原子炉容器内）
２１…ガス空間部
２３…上部出口
２４…除湿器
２５…気体廃棄物処理系
２６…連通孔
２９，５６…フィルタ
３０…鉛ビスマス等出口
３２…遮へい体
３３…原子炉容器上蓋
３４…カバーガス部
４１…水素ガス
４２…アルゴンガス
４３…水蒸気
４４…混合タンク
４６…ガス配管
４７…エジェクタ
４８…ポンプ
４９…回転翼
５０…カバーガス空間
５１…水分除去器
５２…ポンプ出口
５３…鉛ビスマス等配管
５４…分岐配管
５５…バッファタンク
５７…加熱器
５９…冷却器
６０…冷却水
【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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