JPS6193994A - 液体金属中不純物除去装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、液体金属中の不純物を除去する装置に係り、
特に高速増殖炉（ＦＢＲ）において冷却流体である金属
ナトリウム中から放射性不純物を除去するのに好適な液
体金属中不純物除去装置に関する。

〔発明の背景〕

液体金属中不純物除去装置の性能を評価する項目として
は、不純物捕獲効率、圧損、捕獲材回収の可能性、捕獲
材自身の摩耗、捕獲材の交換性。

不純物の流動の効率等がある。

従来、高速炉１次冷却系の冷却材中に含まれる放射性腐
食生成物を除去する方法としては、冷却材を流す流路内
に設けた容器内の捕獲材（通常は薄板、メツシュ等）を
充填し、この捕獲材に吸着させて除去する方法が提集さ
れている。（特開昭５８−２０１０９５号公報、特開昭
５８−２１９４９５号公報、特開昭５８−２１ｆｌｊ４
９６号公報） これらの従来技術について、上記項目を評価してみると
、まず特開昭５８−２０１０９５号公報の方法について
は、比表面積が比較的大きく捕獲効率はよいが、容器の
５０〜９０％もの容積の粒状ニッケルを充填するために
圧損が大きく、また冷却材流路に流れ出てしまった粒状
ニッケルの回収方法がなく、冷却系内を循環することに
なる。さらに、容器内で粒状捕獲材がランダムな動きを
するために、捕獲材同士が接触して、捕獲材のニッケル
自身が摩耗し、あるいは表面に付着した不純物が剥離す
るので、腐食生成された不純物を効率良く捕獲できない
可能性がある。加えて、除去装置が流路に固定され、し
かも捕獲材がその中に充填されていることから、その交
換は容易でない。また。

不純物の流動については、層流底層内の拡散が律速とな
り、不純物の吸着確率が制限される。

次に、特開昭５８−２１９４９５号公報及び特開昭５８
−２１９４９６号公報の方法については、板状捕獲材を
用いているために、比表面積を大きくとれない（比表面
積を大きくするためには、除去装置をかなり大型にしな
ければならない）欠点があり、圧損が大きく、また冷却
材中に流れ出てしまった捕獲材の回収方法がなく、冷却
系内を循環することになる。特に特開昭５８−２１９４
９５号では、高温ナトリウム中に可動部があり、その耐
摩耗性や耐久性が問題となる（故障した場合捕獲効率が
大幅に低下する）、さらに、除去装置が流路内に固定さ
れ、板状捕獲材もその中に固定的に設置されていること
から、その交換は容易でない。また、不純物の流動につ
いては、層流底層内の拡散が律速となり、不純物の吸着
確率が制限される。

［発明の目的］ 本発明の目的は、高速炉１次冷却材において放射性腐食
生成物をはじめ核分裂生成物等の冷却材中不純物を効率
よく除去し、１次冷却系の機器や配管への放射性物質の
沈着を低減し、高速炉のメインテナンスを安全かつ容易
にする液体金属中不純物除去装置を提供することである
。

〔発明の概要〕

本発明は、特定の材質に冷却材中の放射性腐食生成物が
吸着され易い、たとえばマンガンはニッケルに捕獲され
易いといった性質を利用して、冷却材中に比表面積が大
きくとれる微粒子（磁性粒子）を注入し、吸着速度の律
速となる層流底層の厚さを薄くして吸着速度を速め、腐
食生成物等を捕獲するとともに、冷却材中に挿入した磁
気フィルタに磁場を加えて着磁あるいは消磁し、磁性粒
子とともに腐食生成物等を回収あるいは排出するように
して、吸着効果とフィルタ効果とを重畳させ不純物を除
去することを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。

まず第３図により１本発明の全体構成を示す。高速炉の
１次冷却系は原子炉１．中間熱交換器（図示せず）、お
よびこれらを結ぶパイプ２から構成されている。原子炉
１から分岐し、ポンプ３．弁４．磁気トラップ５．弁６
から成る回路は不純物精製回路である。磁気トラップ５
の前段には、弁１５を介して金属粒子（以下粒子）注入
装置７．および弁１０を介して逆洗浄液貯蔵容器１１、
また後段には弁９を介して逆洗容器８が接続されている
０粒子注入装置７および逆洗容器８にはそれぞれ弁１２
．１３を介して不活性ガス（以下ガス）供給源１４が接
続されている。

高速炉では原子炉１に燃料としてウランやプルトニウム
を装荷し、この燃料を核分裂させ１発生する熱をパイプ
２内を流れる液体金属ナトリウムにより中間熱交換器へ
と熱移送する。

高速炉の運転時間経過と共に、１次冷却系構造材料の構
成元素が冷却材である液体金属ナトリウム中に溶出する
。この溶出した元素が冷却材と共に原子炉１を流動する
際、放射化され、放射性腐食生成物となる。放射性腐食
生成物を含む冷却材の一部を精製回路へポンプ３で導く
。この冷却材中の粒子注入装置７からパイプを介して粒
子を注入し、冷却材中に粒子を分散させ、冷却材中の粒
子に放射性腐食生成物を吸着捕獲させる。この冷却材は
磁気トラップ５に流入し、粒子および非放射性の安定核
種も同様にフィルタ部に付着する。

このようにして腐食生成物の濃度を減少させた冷却材は
弁６を介して原子炉１に戻る。

次に、磁気トラップ５および粒子注入装置７の注入部詳
細について第１図により説明する。磁気トラップは、ト
ラップ容器１９．その内部の上下磁極１６．磁極間の高
勾配磁気フィルタ１８．容器外部の磁極１６およびコイ
ル１７から成る。磁気トラップの前段には、粒子注入装
置７の注入部として、冷却材の流れるパイプ中心部にオ
リフィス状パイプが設けられている。なお、フィルタは
一般の磁気フィルタでもよいが、高勾配磁気フィルタで
ある方が好ましい。

原子炉からポンプにより導かれた放射性腐食生成物を含
む冷却材は弁４を通った後、上昇流となってトラップ容
器１９に流入する。その前段では冷却材の流動により１
粒子注入装置の注入管の内部と外部に圧力差が生じ、冷
却材中に粒子が注入される。冷却材中に注入された粒子
と原子あるいは分子状の腐食生成物が接触し１粒子に腐
食生成物が吸着される。トラップ容器１９の外部に永久
磁石、あるいはコイルを取り付けて直流電流を流す、こ
れにより、トラップ容器１９内に磁場が発生する。発生
した磁場は磁極によって均一化され。

充填物の細線フィルタを磁化する。このようにして磁化
したフィルタ部では磁束の疎密ができ、高勾配磁気とな
る。

腐食生成物を吸着した粒子を含む冷却材を下方から上方
に流すと粒子はフィルタに大きな磁力で捕獲され付着す
る。この状態で運転を続け、トラップ容器１９の出入口
部の圧力を検出し、着圧が所定の圧力より高くなった時
、あるいはトラップ容器１９のフィルタ部の放射能強度
が所定の値を超えた時にはトラップの機能を回復させる
ために、自動的に逆洗を行なわせる。この逆洗方法につ
いては後述する。

次に注入粒子と磁気トラップについて説明する。

冷却材中に注入する粒子を球形と考えると、半径ｒの粒
子の比表面積は１　／　ｒに比例する。ｒが極度に小さ
い超微粒子を用いた場合、比表面積は非常に大きな値と
なる。同じ腐食生成物を吸着するにも、比表面積の大き
な粒子を用いた方が吸着効率は良い、ところが、磁気ト
ラップのフィルタ密度も大きくとる必要があり、冷却材
の圧力損失も大きくなる。

一例として、粒子粒径０．１〜数百μｍの粒子を冷却材
中に注入した場合の磁気トラップについて考える。注入
量は冷却材に対して数百ｐｐｍとなるようにする。外部
磁極としてはせいぜい１０ｋｏｅで十分である。フィル
タの細径は０．１〜ｉｎｎφとし、磁性ステンレス細線
あるいはニッケル細線を用い、長さ数百間、充填率を５
〜２０％とする。冷却材のろ過速度は５〜１５０ｎｎ／
ｓで圧力損失は０．０５〜０　、２　ｋｇ／ｃＪとなり
、実用上問題とならない。捕獲率は注入粒子はもとより
、安定核種も含めて８０〜９０％以上を安定して達成で
きる。

注入粒子としては、たとえば放射性マンガンを吸着する
にはニッケルが良いことが知られている。

ニッケルは常温で強磁性体であるが、キュリ一点（３５
０〜３６０℃）を過ぎると常磁性体となる。

高勾配磁気フィルタ中に放射性マンガンを吸着したニッ
ケル粒子や他の不純物を含む冷却材を通せば、それが磁
場中で磁化され、フィルタ細線に吸い着けられ、冷却材
だけが流れ去る。

高勾配磁気フィルタの捕獲性能は、冷却材中の不純物の
磁性及び粒径、その他に磁場、ろ過速度１フイルタの線
径と充填率などによって大きく左右される。このため、
磁気トラップを製作後、注入粒子の粒径を選定する必要
がある０粒径の選定方法の一列としては、適度な粒径分
布を有する粒子を水中あるいはガス中に混入させ、これ
を磁気トラップに通し、捕獲効率１００％となる最小の
粒子径を選定する。最小の粒子径を選定すると、最大の
比表面積が得られる。このように比表面積の大きな粒子
を冷却材中に注入すれば、原子あるいは分子状の放射性
腐食生成物との衝突頻度が高まり、粒子が成長し、フィ
ルタでの捕獲も容易となる。

次に磁気トラップに付着した粒子の状態を第２図により
説明する。フィルタ細線１８に粒子２゜が付着している
。付着粒子２０には放射性腐食生成物を吸着したもの、
注入状態のままのもの、安定核種の腐食生成物を吸着し
たもの等磁化されたさまざまな種類がある。仮に注入さ
れたままの粒子がフィルタ細線１８に多量に付着したと
しても、流入した冷却材はフィルタ細線１８によって流
れを乱される。それに加えて、通常の細線だけのフィル
タと異なり、細線の比表面積が前述したように付着粒子
によって非常に大きな値となって、いるために、ＪＭ子
あるいは分子状の不純物との衝突頻度が高まり、捕獲効
率は向上する。

以上述べたように、冷却材中に粒子を注入すると、冷却
材中の不純物を効率良く磁気トラップで捕獲できる。し
かし、捕獲容量の定まっている磁気トラップでは長時間
の運転で、捕獲性能が低下する。そこで、磁気トラップ
のフィルタ部を逆洗により再生する必要がある。

第３図によりその再生方法について説明する。

冷却材中の不純物捕獲運転中の弁の状態は、弁４゜６を
常時開き、必要に応じて弁１２．１５を開閉する。他方
、磁気トラップ再生のための逆洗時には、不純物捕獲運
転状態で、弁１２，１５の閉まりを確認後、弁９を開き
、逆洗容器８に所定量の冷却材を流入させて閉じる。次
に弁１３を開き、ガス供給源１４から逆洗容器８にガス
を供給し加圧する。所定の圧力に加圧後、弁４，６を閉
め、弁１０を開く、磁気トラップ５の外部に取り付けで
ある永久磁石を取り外すか、あるいはコイルへの通電を
遮断後、弁９を開き、冷却材を急激に逆洗容器８から磁
気トラップ６に通過させ、逆洗液貯蔵容器１１に流入さ
せて終了する。逆洗によって磁気トラップ５のフィルタ
細線に付着していた粒子や不純物は、全ての逆洗液貯蔵
容器１１へ移行する。

逆洗用冷却材は、通常フィルタ容積の数十倍必要とされ
ている。このために多量の廃液が生じる。

そこで、第４図に示すように、逆洗液貯蔵容器１１には
廃液中の粒子を沈降させた後、上澄液を再び逆洗容器８
に移送するための上澄液移送管２３を設ける。移送管に
は弁２２が取り付けである。逆洗液貯蔵容器１１には放
射線じゃへい体２１で覆い、ガス系配管２４を設けであ
る。粒子が沈降したら、ガス系配管２４からガスを浜給
し、逆洗液貯蔵容器の液を加圧する６他方、逆洗容器８
のガス圧力を下げ、このガス圧力差により、逆洗液貯蔵
容器１１の上澄液を弁２２を介して逆洗容器８に移送し
１次の逆洗に備える。このように。

逆洗液をリサイクルすると、放射性物質を含む廃液を最
小限におさえられる。

次に、磁気トラップの運転パターンを第５図により説明
する。高速炉の運転時間経過とともに。

まず規定量の粒子を冷却材中に注入する。注入された粒
子は磁気トラップのフィルタ細線に付着し、磁気トラッ
プ出入口間に差圧が生じる。さらに運転を続けると、フ
ィルタ部に冷却材中の各種不純物が吸着捕獲され、差圧
が増大し、ついには予め設定した値に到達する。そこで
、磁気トラップ再生のための逆洗処理を自動的に行なわ
せる。再生処理終了後、再び粒子を注入し、運転を継続
すると、放射性腐食生成物が粒子に吸着捕獲され、予め
設定した値に放射能強度が到達する。そこで、再び磁気
トラップの再生処理を行なわせる。原子炉寿命まで、こ
のような運転パターンで冷却材中の各種不純物を捕獲除
去する。

なお、第５図の運転パターンの例において、差圧の第２
の山が低いのに、放射性強度の第２の山が第１の山と比
べて高いのは、放射性腐食生成物が粒状ニッケルの表面
に付着するのみでなく、いわば内部に浸透するような現
象によるものと考えられる。その場合には、容積がさほ
ど増えないのに、放射能強度が上昇することになる。

本発明による一実施例の他に、１次冷却系の腐食生成物
の捕獲材として冷却材中に粒子を注入し。

コロイド状で使用することも考えられる。１次冷却系の
要所要所に放射能検出モニタを設置し、設定値以上にな
った時磁気フィルタを冷却材中に挿入して粒子を除去す
る方法、あるいは粒子を冷却材中に連続投入し、１次冷
却系配管にバイパス回路を設け、このバイパス回路に磁
気トラップを設け、連続的に粒子を除去する方法も考え
られる。

いずれにしても、粒状物をナトリウム中に分散させた場
合に、粒状物たとえばニッケルがナトリウムによって腐
食されると、ニッケル表面に吸着した腐食生成物が再び
溶解してしまう可能性がある。しかしながら、ニッケル
はナトリウムと共存性が良いことで知られている。　Ｃ
，Ｆ、Ｃｈｅｎｇ（Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ−ＮＡＣＥ　ｖ
ｏ　Ｑ　、　２８　Ｈａ　Ｉ　Ｊａｎ、１９７２）らに
よると、腐食量は５００℃で１年間に約０．８μｍ程度
である。

冷却材中には、既に炉心の構成材からニッケルが溶出し
、ナトリウム中にはほぼ一定濃度のニッケルが溶解して
おり、これによって粒子状のニッケルからの溶解が減少
する。粒子は、１年間連続使用するのではなく、前述し
たように、粒状物にある一定量の腐食生成物が吸着され
ると、これを回収し新しいものと交換して使用するため
、特に粒子がナトリウムによって腐食され、これによっ
て捕獲材が減肉し、腐食生成物の捕獲効率を低下させる
ようなことは、殆んどないと考えてよい。

本発明による腐食生成物の捕獲効率を検討してみる。腐
食生成物が壁面表面に吸着する過程は。

乱流場においては、壁面と冷却材との界面に生じる層流
底層内を腐食生成物が拡散する速度が律速となっている
。従って、層流底層の厚さが薄い程腐食生成物の吸着速
度が遠くなる。メツシュ充填層内に粒子が捕獲されてい
る場合には、冷却材の流れは、円管や平板などの単純な
形状に較べ複雑な流れとなる。

ここで、問題を簡単にするため、熱伝達と物質移動のア
ナロジ−が成立するとして、平板および円管のまわりの
熱伝達率を比較してみる。これを第６図に示す。第６図
の縦軸は、円管と平板における物質移動率との比を示す
、レイノルズ数１０４の例をとってみると１円筒の物質
移動率が平板に７６．わ、。ヶ、カケい。ユ。ヶ１．よ
、よつ、。、　　　　　（り円筒形状で比較したが、球
状の場合は、これ以上に物質移動率が向上すると考えら
れる。したがつて１通常の平板を配置したものよりも、
球状のものが、熱伝達率つまり、吸着のための物質移動
が容易に行なわれ、腐食生成物の捕獲率が約１桁から２
桁向上することがわかる。

なお、本発明はこれまで述べてきたように、高速炉の１
次冷却系の放射性腐食生成物の除去装置として有効であ
るが、必ずしもこれに限ったことではない。２次冷却系
の腐食生成物の除去にも有効であり、本発明を適用する
ことによって、伝熱管表面に腐食生成物が付着し、伝熱
効率が低下するのを防止するのにも有効である。さらに
、冷却材として水や重水を用いる原子炉においても、冷
却材から不純物を除去する装置として本発明の適用が可
能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高速炉冷却系において、冷却材中に粒
子を注入する装置および磁気トラップを設け、粒子によ
る吸着および磁気トラップに付着した粒子による吸着で
冷却材中の不純物を捕獲できるので、１次系に含まれる
放射性腐食生成物等の不純物を低減可能である。この結
果−次冷却系機器配管表面への放射性不純物の沈着量を
低減でき、−次系機器や配管の保守、補修が容易になる
。

さらに、被曝線量率を低減させるためのしやへい設備を
削減できるので、高速炉における安全ならびに経済性を
高める効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明不純物除去装置の磁気トラップ及び粒子
注入装置を示す図、第２図は磁気トラップに付着した粒
子の状態を示す図、第３図は本発明を高速炉１次冷却系
に組み込んだ実施例の全体構成を示すブロック図、第４
図は第３図実施例の逆洗関連部分をより詳しく示す図、
第５図は本発明装置の運転パターンを示す図、第６図は
平板及び円筒における熱伝達の比を示す図である。 １・・・原子炉、２・・・パイプ、３・・・ポンプ、４
・・・弁、５・・・磁気トラップ、６・・・弁、７・・
・金属粒子注入装置、８・・・逆洗容器、９・・・弁、
１０・・・弁、１１・・・逆洗浄液貯蔵容器、１２・・
・弁、１３・・・弁、１４・・・不活性ガス供給源、１
５・・・弁、１６・・・磁極、１７・・・コイル、１８
・・・フィルタ、１９・・・トラップ容器、２０・・・
粒子、２１・・・放射線しやへい体、２２・・・弁、２
３・・・上澄液移送管、２４・・・ガス系配管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、原子炉冷却材として用いられる液体金属中の不純物
   を除去する装置において、液体金属中に不純物を吸着す
   る粒子を注入する装置と、その粒子を捕獲する手段とか
   らなることを特徴とする液体金属中不純物除去装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、粒子が磁性粒子で
   あり、捕獲手段が液体金属流路に配置した磁気フイルタ
   とこれに磁場を加え着磁する手段とを含むことを特徴と
   する液体金属中不純物除去装置。 ３、原子炉冷却材として用いられる液体金属中の不純物
   を除去する装置において、液体金属中に不純物を吸着す
   る粒子を注入する装置と、その粒子を捕獲する手段と、
   捕獲した不純物吸着粒子を捕獲手段から回収し排出する
   手段とからなることを特徴とする液体金属中不純物除去
   装置。 ４、特許請求の範囲第３項において、粒子が磁性粒子で
   あり、捕獲手段が液体金属流路に配置した磁気フイルタ
   とこれに磁場を加え着磁する手段とを含み、回収排出手
   段が捕獲手段を逆洗し不純物吸着粒子を回収排出する手
   段であることを特徴とする液体金属中不純物除去装置。