JP2003294885A - 液体金属循環装置 - Google Patents

液体金属循環装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】鉛およびビスマスを含有する低融点液体金属の
溶存酸素濃度の調整、酸化物の除去により、装置構成材
の腐蝕抑制、流路閉塞防止、液体金属の電熱特性劣化防
止した液体金属循環装置の提供。 【解決手段】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Ｍを循環する装置において、液体金属Ｍ
の循環流路２内に酸素濃度調整装置（例えば膨張タンク
９によって）と溶存酸素濃度検出装置７とを取り付け、
膨張タンク９の不活性ガスからなるカバーガス中にに酸
化ガスおよび還元ガスの少なくともいずれかを添加し
て、循環する液体金属Ｍ中の酸素濃度を調整し、また例
えば膨張タンク９内に個体還元材 (図示せず) を配置し
金属酸化物を除去する。

Description

【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、酸化ガスお
よび還元ガスの少なくともいずれかを作用させる酸素濃
度調整装置と液体金属中の溶存酸素濃度検出装置とを取
り付け、循環する前記液体金属中の酸素濃度を調整可能
にしたしたものである。
【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M
g、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、液体金属が流動す
る部分に前記液体金属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、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 (図示せず）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。
【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。
【符号の説明】
２ 循環流路 ７ 酸素センサー（溶存酸素濃度検出装置） ９ 膨張タンク (酸素濃度調整装置） Ｍ 液体金属
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鎌田 勤也 岡山県玉野市玉３丁目１番１号 三井造船 株式会社玉野事業所内 (72)発明者 小野 宏 岡山県玉野市玉３丁目１番１号 三井造船 株式会社玉野事業所内

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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、酸化ガスおよび還元ガスの少
    なくともいずれかを作用させる酸素濃度調整装置と液体
    金属中の溶存酸素濃度検出装置とを取り付け、循環する
    前記液体金属中の酸素濃度を調整可能にした液体金属循
    環装置。
  2. 【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り、前記液体金
    属に作用させる前記酸化ガスおよび還元ガスの少なくと
    もいずれかを、前記膨張タンクの不活性ガスからなるカ
    バーガスに添加した請求項１記載の液体金属循環装置。
  3. 【請求項３】 前記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前記膨張タンク内の
    液体金属中に吹き込むようにした請求項２記載の液体金
    属循環装置。
  4. 【請求項４】 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り、該エジェクターによっ
    て前記液体金属中に前記酸化ガスおよび還元ガスの少な
    くともいずれかを混入するようにした請求項１記載の液
    体金属循環装置。
  5. 【請求項５】 前記酸化ガスおよび還元ガスの少なくと
    もいずれかを不活性ガスに添加して使用するようにした
    請求項４記載の液体金属循環装置。
  6. 【請求項６】 前記酸化ガスおよび還元ガスが、水蒸気
    および水素ガス並びに二酸化炭素ガスおよび一酸化炭素
    ガスのいずれかである請求項１〜５のいずれかに記載の
    液体金属循環装置。
  7. 【請求項７】 前記不活性ガスが、ヘリウム、 アルゴ
    ン、 窒素の少なくとも１種以上のガスである請求項２、
    ３、 ５または６記載の液体金属循環装置。
  8. 【請求項８】 前記不活性ガスに添加する還元ガスが水
    素であり、添加する水素濃度を０．１体積％以上とした
    請求項１〜８のいずれかに記載の液体金属循環装置。
  9. 【請求項９】 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液体金属
    循環装置。
  10. 【請求項１０】 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請求項９記載の液体金属循環装
    置。
  11. 【請求項１１】 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
    体金族中の酸素濃度を減少させるようにした請求項１０
    記載の液体金属循環装置。
  12. 【請求項１２】 前記液体金属が流動する部分に前記液
    体金属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液体金属循環装置。
  13. 【請求項１３】 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
    を挿入したものを使用した請求項１２記載の液体金属循
    環装置。
  14. 【請求項１４】 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１３記載の液体金属循環装置。
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