(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属の液位が可変可能に構成されたポット内に有底状の溶存酸素濃度検出体を挿設配置し、急激な熱衝撃が加わらない状態での測定を可能にしたことを特徴とする溶融金属の酸素濃度測定装置。
【請求項２】
前記ポット内の測定レベルと非測定レベルへの液位の変更が前記ポットに加圧／減圧されるガス圧変化により行われることを特徴とする請求項１記載の溶融金属の酸素濃度測定装置。
【請求項３】
前記ポット内に測定レベルと非測定レベルの液位を検知するセンサを設け、該センサが温度センサであることを特徴とする請求項１記載の溶融金属の酸素濃度測定装置。
【請求項４】
前記ポットを溶融金属循環系と連通させるとともに、前記ポット及び溶存酸素濃度検出体の検出部を加熱するヒータを設け、前記ポット及び溶存酸素濃度検出体を該ヒータにより前もって予熱した後に、溶融金属の液位レベルを上昇させて溶存酸素濃度検出体に接液させることを特徴とする請求項１記載の溶融金属の酸素濃度測定装置。
【請求項５】
前記溶融金属が原子炉冷却系の熱媒体として使用される鉛ビスマス合金であることを特徴とする請求項１記載の溶融金属の酸素濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融金属の酸素濃度測定装置にかかり、特にガス圧によって溶融金属とセンサとの接触面を調整しながら酸素濃度センサの熱衝撃を防止し得る酸素濃度測定装置に関し、更に詳細には高速増殖炉等の原子炉の冷却系の熱媒体、特に鉛ビスマス合金の酸素濃度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高速増殖炉の２次冷却系の冷却熱媒体としてナトリウムを使用している。即ち炉心から取り出された使用済み燃料は、炉外燃料貯蔵槽内のナトリウム中に貯蔵される。使用済み燃料の崩壊熱は、熱媒体としてナトリウムを使用した２次冷却系を介して除熱され、２次冷却系内の空気冷却器により大気中に放出される。
【０００３】
しかしながら高温のナトリウムは、空気中において非常に活性であり、空気中の水分と激しく反応する。このため、万が一ナトリウム漏洩が発生した場合、漏洩火災を引き起こす可能性がある。
このため高速増殖炉における使用済み燃料の減衰待ち貯蔵を行う炉外燃料貯蔵設備において、該炉外燃料貯蔵設備の２次冷却系の熱媒体として鉛ビスマス合金を使用することが提案されている。（特開平１１−６４５７１号）
【０００４】
鉛ビスマス合金は、炉外燃料貯蔵槽の温度条件に追従して冷却が可能なように、液体範囲が約１５０℃〜５００℃の範囲をカバーしている。原子力で使用可能なステンレス鋼やＣｒ−Ｍｏ鋼等の構造材との共存性が見通せる。比熱、熱伝導率等の熱媒体としての性能が、他の材料と比較して著しく劣らないこと等の特性があり、ナトリウムに比較して空気中において活性が小さく、又空気中の水分と激しく反応することのない有利さがあるために、鉛ビスマス合金は、核変換や高速増殖炉用の冷却剤として、Ｎａに代わる材料として有望視且つ期待されているが、その鉛ビスマス合金と冷却配管系の腐食の挙動が明らかでなく、実用化の課題となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら高速増殖炉の冷却系で使用される鉛ビスマス合金の溶存酸素濃度が測定できれば、上記問題は解決されるが、その長時間耐久性や熱衝撃性に関し種々の問題があり、その解決にはなかなか至っていない。
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、長時間耐久性や熱衝撃性の問題を解決し、溶融金属、特に高速増殖炉の冷却系で使用される鉛ビスマス合金の溶存酸素濃度を円滑に測定できる溶融金属の酸素濃度測定装置を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、ガス圧によって溶融金属とセンサとの接触面を調整しながら酸素濃度センサの熱衝撃を防止し得る酸素濃度測定装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、溶融金属の液位が可変可能に構成されたポット内に有底状の溶存酸素濃度検出体を挿設配置し、急激な熱衝撃が加わらない状態での測定を可能にしたことを特徴とする。
【０００７】
かかる発明によれば、例えば鉛ビスマス循環実験等の定常運転中に鉛ビスマス中の酸素濃度を任意の時期に測定可出来るとともに、酸素濃度を測定しない場合は、酸素濃度測定装置が鉛ビスマスに接触しないように液位を下げればよい。
特に鉛ビスマス循環実験装置の流量計校正試験時には、酸素濃度測定装置の溶存酸素検出体部分に急激な熱過度が加わる可能性があるため、酸素濃度測定装置が鉛ビスマスに接触しないようすることが容易である。
【０００８】
そして前記ポット内の測定レベルと非測定レベルへの液位の変更が前記ポットに加圧／減圧されるガス圧変化により行われるように調整すれば液位調整が容易である。
【０００９】
又前記ポット内に測定レベルと非測定レベルの液位を検知するセンサを設け、該センサが温度センサであるのがよい。
これにより液位レベルの検知と温度検知が可能であり、熱衝撃の阻止が出来る。
【００１０】
そして具体的には前記ポットを溶融金属循環系と連通させるとともに、前記ポット及び溶存酸素濃度検出体の検出部を加熱するヒータを設け、前記ポット及び溶存酸素濃度検出体を該ヒータにより前もって予熱した後に、溶融金属の液位レベルを上昇させて溶存酸素濃度検出体に接液させるのがよい。
【００１１】
又前記溶融金属が原子炉冷却系の熱媒体として使用される鉛ビスマス合金である場合に好適に使用されるものであるが、これ以外に鋳物用の溶融金属等においても利用でき、鋳物では酸素濃度が重要である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１３】
先ず本発明が適用される高速増殖炉の冷却系の熱媒体、特に鉛ビスマス合金を熱媒体として用いた冷却系の概略構成を図３に基づいて説明する。
図３は、高速増殖炉の炉外燃料貯蔵設備の冷却系統図で、１０１は炉外燃料貯蔵槽で、鉛ビスマス合金の冷却配管１０３が挿入されて該合金の循環により冷却されている。該貯蔵槽１０１内で加熱された鉛ビスマス合金は、電磁循環ポンプ１０４を介して鉛ビスマス合金の水蒸気等の水蒸気の凝縮を防止する純化系ダンプタンク１０２で適宜純化及び水分除去させながら空気冷却器１０５に導かれて、外気取り入れフィルタ１０６、ブロア１０７からなる空気冷却系により冷却された後、温度測定装置を介して再度炉外燃料貯蔵槽１０１に導かれる。
従って炉心から取り出された使用済み燃料は、炉外燃料貯蔵槽１０１内の鉛ビスマス合金に貯蔵される。使用済み燃料の崩壊熱は、熱媒体として鉛ビスマス合金を使用した２次冷却系を介して除熱され、その熱は２次冷却系内の空気冷却器１０５により大気中に放出される。
【００１４】
図４は図３の溶存酸素濃度測定装置を組み込んだ高速増殖炉の冷却系を模擬的に示す実験装置の鉛ビスマス合金を熱媒体とする閉鎖ループ図で、図３に準じて構成している。
１０１Ａは炉外燃料貯蔵槽１０１に対応する加熱器、１１１にはテストセクションとして過熱器が設けられている。１００は酸素測定装置、１０５Ａは空気冷却器、１１２は酸素測定装置の液位レベルの調整用の膨張タンク、１０２Ａはダンプタンクで、内部にデミスタ１０２ａが配置され、凝縮水分を乾燥し、水蒸気化している。
【００１５】
図１はかかる実験装置に使用される本発明の基本構成にかかる鉛ビスマス合金の溶存酸素濃度測定装置の基本構成図である。
本システムにおいて、１は有底円筒状の固体電解質からなる酸素イオン伝導性を有する溶存酸素（酸素イオン）検出体で、該溶存酸素検出体１は多結晶または単結晶のイットリア安定化ジルコニアからなり、円筒状であり一方の端が閉じた形状を有する。該検出体の有底内部にはネット（網）状の白金電極２が設けられており、又該白金電極には参照用リード線５を介してエレクトロメータ４が接続されている。この場合参照用リード線５として白金電極と同種の金属である白金線を用いている。
又、エレクトロメータ４の他端は、リード線６を介して鉛ビスマス合金の溶融液と電気的に接続されている。
【００１６】
溶存酸素検出体１の有底内部には、ガス注入管７より酸素分圧が既知の空気１１が導入されている。
又３は前記有底円筒状の検出体内部空間に配置され、該検出体を加熱するセラミックヒータで、鉛ビスマス合金溶存酸素（酸素イオン）検出体が約３００〜６００℃の範囲の温度に昇温されるように構成されている。
尚、前述の溶存酸素（酸素イオン）検出体１はイットリア安定化ジルコニアであることが望ましい。イットリア安定化ジルコニアは、高温高圧水中で充分な耐食性を有し、放射線場での劣化もほとんどない。
【００１７】
又上記酸素イオン伝導性を有する固体電解質体としては、酸化ジルコニウムを主成分とするセラミックスが好適である。この固体電解質体は、酸化ジルコニウム等の原料粉末と、酸化イットリウム、等の焼結助剤の粉末とを混合し、所定形状に成形する。又この固体電解質体に設けられる白金電極２は、白金のみならず、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウム等からなる群より選ばれる少なくとも１種以上を主成分とする導電性材料からなる薄膜状の電極として形成してもよい。これら電極の形成は、めっき法、スパッタリング法、金属塩の熱分解法等によって実施することができる。
【００１８】
又前述の溶存酸素検出体１等からなる酸素濃度計本体が挿設される鉛ビスマス合金溶融ポット１２は予熱可能に不図示のヒータが設けられているともに、アルゴンガスの圧力により液位が上昇下降可能に構成され、又該鉛ビスマスの液位を判定できるよう、検出体１の先端より低い位置ＴＥ４、溶存酸素検出体先端部ＴＥ３、測定時レベルＴＥ２及び高警報用レベルＴＥ１の各位置の液位を温度変化で計測できるよう熱電対を設置している。
【００１９】
次に、本装置の酸素濃度の測定原理を簡単に説明すると、酸素イオン導電性の固体電解質からなる溶存酸素検出体を隔壁として、有底内部に酸素分圧既知の参照ガス（空気）を、有底外部の検出端に鉛ビスマス溶融金属を接触させると、酸素濃淡電池が形成され、「数１」に示す式により、起電力が発生し、起電力は「数１」のＮＥＲＮＳＴ式（１）で表現され、鉛ビスマス系では、金属への酸素溶解反応から酸素計起電力Ｅと鉛ビスマス酸素濃度（重量％）｛Ｏ｝は「数１」の（２）式で表せられる。
【００２０】
【数１】
0004064648.tif 000002
【００２１】
かかる実施例によれば、アルゴンガス導入管９より鉛ビスマス溶融ポット１２内にアルゴンガスを導入してポット１２内を加圧することにより、酸素濃度を測定しない場合は、酸素濃度計本体の溶存酸素検出体１が鉛ビスマスに接触しないよう検出体１の先端より低い位置の熱電対ＴＥ４を利用して非測定レベルまで液位を下げ、循環実験の定常運転中に鉛ビスマス中の酸素濃度の測定が必要な時にアルゴンガスを減圧して熱電対ＴＥ２を利用して測定時レベルまで液位を上げて検出体１を鉛ビスマス溶融金属に接触させて、測定を行う。
特に鉛ビスマス循環実験装置の流量計校正試験時には、酸素濃度計本体の溶存酸素検出体部分に急激な熱過度が加わる可能性があるため、この場合は酸素濃度計本体の検知体１が鉛ビスマスに接触しないよう液位を下げるのがよい。
【００２２】
図２は本発明の実施例にかかる高速増殖炉の冷却系で使用される鉛ビスマス合金の溶存酸素濃度測定装置の詳細構成図である。
基本構成図１と同様な構成部分を簡単に説明するに、１は有底円筒状の固体電解質からなる酸素イオン伝導性を有する溶存酸素検出体、２は、該検出体の有底内部に設けた白金電極で、該白金電極には参照用リード線５を介してエレクトロメータ４に接続されている。
又、エレクトロメータ４の他端はリード線６を介して溶存酸素検出体１の鉛ビスマス合金の溶融液接液面と接する接続フランジ１９と接続されている。
溶存酸素検出体１の有底内部には、ガス注入管７より酸素分圧が既知の空気１１が導入されている。
又３は前記有底円筒状の検出体１内部空間に配置され、該検出体１を加熱するセラミックヒータで、鉛ビスマス合金溶存酸素検出体１が約３００〜６００℃の範囲の温度に加熱されるように構成されている。
尚、前述の溶存酸素検出体１等からなる酸素濃度計本体が挿設される鉛ビスマス融金属ポット１２はマントルヒータが囲撓されている外筒１２Ｂと内筒１２Ａからなり、前記内筒１２Ａ内を配管９Ａ及び導入管９よりアルゴンガスの圧力が導入及び減圧させることにより溶融金属の液位が上昇下降可能に構成され、又該鉛ビスマスの液位を判定できるよう、検出体１の先端より低い位置ＴＥ４、溶存酸素検出体先端部ＴＥ３、測定時レベルＴＥ２及び高警報用レベルＴＥ１の各位置の液位を温度変化で計測できるよう熱電対が設置されている。
【００２３】
熱電対ＴＥは参照ガスを検知体１の白金電極近傍の温度測定位置ＴＥ６、セラミックヒータの先端位置ＴＥ７、マントルヒータ内壁位置ＴＥ８にも夫々配設されている。
尚、１０８は前記ポット１２下方で連通鉛ビスマス溶融金属の配管である。
又２５は前記筒状検出体の上部を支持する支持枠で、該支持枠には冷却マウントが囲撓されており、冷却水２２により冷却可能に構成されている。
【００２４】
次に、本酸素濃度測定装置の基本思想は下記のとおりとしている。
接液液体金属：溶融鉛ビスマス、接液温度：最高略５５０℃、設計圧力：０．３ＭＰａ〔ゲージ圧〕、温度変化率：５℃／ｍｉｎ以内とし、該酸素濃度測定装置の配設位置、鉛ビスマス循環実験装置のテストセクション（過熱器）出口側の高温部とする。
酸素濃度の測定は、内筒１２Ａ内の鉛ビスマス溶融合金の液位を導入管９よりアルゴンガスの減圧で上げ、酸素濃度測定装置の溶存酸素検出体部分に鉛ビスマス溶融金属を接液させる方法で測定するように構成しているが、上記溶融金属の液位の制御は、鉛ビスマス循環実験装置の膨張タンク及び酸素濃度測定装置ポット１２側のカバーガス（アルゴンガス）の圧力を調整することによっても可能なようにしている。
【００２５】
上記溶融金属の液位を上げた場合でも、酸素濃度測定装置の接続ポット１２の液位がエレクトロメータ４の測定ループのリード線６と接続された接続フランジ１９面に達しないよう、ポット１２を構成するマントルヒータ１２Ｂ内に内筒１２Ａを設け、内筒１２Ａと外筒（マントルヒータ）１２Ｂの間の空間にガス空間１６を設けている。
具体的にはポット部上側の接続フランジ１９と下側フランジ３０との間の内筒１２Ａと外筒（マントルヒータ）１２Ｂのガス空間１６に配管９Ｂよりアルゴンガスを導入している。
【００２６】
又酸素濃度測定装置には、鉛ビスマスの液位を判定できるよう、溶存酸素検出体の先端より低い位置ＴＥ４、溶存酸素検出体先端部ＴＥ３、測定時レベルＴＥ２及び高警報用レベルＴＥ１の各位置に熱電対を設置している点は前記したとおりである。又酸素濃度測定装置には、カバーガス（アルゴンガス）の圧力を測定できるよう、酸素濃度測定装置のチャンバ部及びポット部に連通する配管部分に圧力計ＰＩ１及びＰＩ２を設置している。又酸素濃度測定装置のカバーガス（アルゴンガス）の供給・排出が可能なよう、酸素濃度測定装置のチャンバ部及びポット部にガス供給・排出管９Ａ、９Ｂを接続し、小口径締切弁からなる均圧弁２９を設けている。
【００２７】
次に本装置の酸素濃度測定時の運転方法について図４及び図２に基づいて説明する。
酸素濃度測定装置の溶存酸素検出体内のヒータ３及び外筒を構成するマントルヒータ１２Ｂに通電させて、図４の冷却系ループの鉛ビスマス温度と同じ温度になるまで溶存酸素検出体１及び内筒１２Ａのチャンバ部等を緩やかに予熱する。次に膨張タンク１１２と酸素濃度測定装置１００側との均圧弁を閉止後膨張タンク１１２をわずかに加圧する。
【００２８】
その後酸素濃度測定装置１００収納部のアルゴンガス８の均圧弁２９をゆっくりと開けてガスを放出することにより減圧し、鉛ビスマス溶融金属の液位を上昇させて熱電対ＴＥ２が検知する位置まで上げて溶存酸素検出体１に鉛ビスマス溶融金属を接液させる。
この測定レベルでの酸素濃度を計測する。
この計測が終ったら、アルゴンガスを導入管９より導入してカバーガス空間１６の均圧を行い、鉛ビスマス溶融金属の液位を下降させて熱電対ＴＥ４が検知する位置まで下げて鉛ビスマス液位を非測定液位レベルに戻す。
以下前記動作を繰り返す。
【００２９】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、溶融金属、特に鋳物等の溶融金属や原子炉の冷却系で使用される鉛ビスマス合金の溶存酸素濃度を長時間耐久性や熱衝撃性の問題が生じることなく円滑に測定できる。
又本発明によれば、ガス圧によって溶融金属とセンサとの接触面を調整しながら酸素濃度センサの熱衝撃を防止し得る酸素濃度測定装置を提供出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の基本構成にかかる高速増殖炉の冷却系で使用される鉛ビスマス合金の溶存酸素濃度測定装置の基本構成図である。
【図２】  本発明の実施例にかかる高速増殖炉の冷却系で使用される鉛ビスマス合金の溶存酸素濃度測定装置の詳細構成図である。
【図３】  本発明が適用される高速増殖炉の冷却系の熱媒体、特に鉛ビスマス合金を熱媒体として用いた冷却系の概略構成図である。
【図４】  図３の溶存酸素濃度測定装置を組み込んだ高速増殖炉の冷却系を模擬的に示す実験装置の鉛ビスマス合金を熱媒体とする閉鎖ループ図ある。
【符号の説明】
１        溶存酸素検出体、
２        白金電極
３        セラミックヒータ
４        エレクトロメータ
５        参照用リード線
６        リード線
１２      鉛ビスマス融金属ポット（外筒１２Ｂと内筒１２Ａ）
１９      接続フランジ
１００    酸素測定装置
１０１    加熱器
１０５Ａ  空気冷却器
１１１    テストセクション
１１２    膨張タンク
【図１】
0004064648.tif 000003
【図２】
0004064648.tif 000004
【図３】
0004064648.tif 000005
【図４】
0004064648.tif 000006