JP2003075401A - 溶融金属の酸素濃度測定装置 - Google Patents
溶融金属の酸素濃度測定装置Info
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Abstract
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
定できる溶融金属の酸素濃度測定装置を提供すること。 【解決手段】 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、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るとともに、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
る。該センサが温度センサであるのがよく、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。
Description
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。
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。
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)
条件に追従して冷却が可能なように、液体範囲が約15
0℃〜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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、105
A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。
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。
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300〜60
0℃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。
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。
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TE
3、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。
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。
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T
E2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。
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T
E1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。
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。
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55
0℃、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。
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1
6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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (5)
- 【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。
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