JP2003307589A - 液体金属中の溶解酸素濃度制御方法 - Google Patents
液体金属中の溶解酸素濃度制御方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】液体金属中の溶解酸素濃度を酸素透過能を有す
る固体電解質を用いて制御し、構造材に対して高い腐食
性を示す液体金属においても腐食抑制を計る。 【解決手段】酸素イオン導電性を有する固体電解質を隔
壁とし、その一方を液体金属３に浸漬させ、他方を制御
すべき酸素濃度に相当する平衡酸素分圧を有する金属と
その酸化物からなる酸素濃度制御用標準物質４に接触さ
せる。前記液体金属３と前記酸素濃度制御用標準物質４
とを外部回路６で短絡させることにより、前記液体金属
３中の溶解酸素濃度を、前記液体金属３と前記酸素濃度
制御用標準物質４の酸素濃度差を利用して生じる酸素透
過により制御する。
る固体電解質を用いて制御し、構造材に対して高い腐食
性を示す液体金属においても腐食抑制を計る。 【解決手段】酸素イオン導電性を有する固体電解質を隔
壁とし、その一方を液体金属３に浸漬させ、他方を制御
すべき酸素濃度に相当する平衡酸素分圧を有する金属と
その酸化物からなる酸素濃度制御用標準物質４に接触さ
せる。前記液体金属３と前記酸素濃度制御用標準物質４
とを外部回路６で短絡させることにより、前記液体金属
３中の溶解酸素濃度を、前記液体金属３と前記酸素濃度
制御用標準物質４の酸素濃度差を利用して生じる酸素透
過により制御する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液体金属中の溶解
酸素濃度制御方法に関するものであり、特に、原子炉冷
却材、廃熱回収冷却材中の溶解酸素濃度制御方法に関す
るものである。
酸素濃度制御方法に関するものであり、特に、原子炉冷
却材、廃熱回収冷却材中の溶解酸素濃度制御方法に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】液体金属は、熱や放射線に対して安定で
あるのみならず、熱伝導性が優れていることから冷却材
として使用されている。その代表的な例が、高速増殖炉
の液体ナトリウム金属である。このような目的に用いら
れる金属は、主として、Ｎａ（ナトリウム）、Ｎａ−Ｋ
（ナトリウム・カリウム）、Ｌｉ（リチウム）、Ｂｉ
（ビスマス）、Ｐｂ（鉛）などの低融点金属である。し
かし、こうした液体金属を冷却材として使用する場合に
は、液体金属による機器や配管などの構造材の腐食が問
題となる。
あるのみならず、熱伝導性が優れていることから冷却材
として使用されている。その代表的な例が、高速増殖炉
の液体ナトリウム金属である。このような目的に用いら
れる金属は、主として、Ｎａ（ナトリウム）、Ｎａ−Ｋ
（ナトリウム・カリウム）、Ｌｉ（リチウム）、Ｂｉ
（ビスマス）、Ｐｂ（鉛）などの低融点金属である。し
かし、こうした液体金属を冷却材として使用する場合に
は、液体金属による機器や配管などの構造材の腐食が問
題となる。
【０００３】液体金属による腐食は、水溶液などの腐食
に見られる電気化学過程ではなく、金属元素の液体金属
中への溶解が主原因である。したがって、冷却材として
使用される液体金属が、その熱回収のために、高温部と
低温部とを循環する場合、高温部で構造材から溶解した
元素が低温部で過飽和となって析出する、所謂、質量移
動現象が生ずる。
に見られる電気化学過程ではなく、金属元素の液体金属
中への溶解が主原因である。したがって、冷却材として
使用される液体金属が、その熱回収のために、高温部と
低温部とを循環する場合、高温部で構造材から溶解した
元素が低温部で過飽和となって析出する、所謂、質量移
動現象が生ずる。
【０００４】この質量移動は、繰り返され、高温部では
機器や配管などの構造材が腐食され続け、低温部では不
純物が析出して小口径配管などの液体金属流路を閉鎖さ
せる恐れがある。この溶解速度を支配するのは、高温部
での不飽和度によるが、ループの構成や形状などの装置
の状況、流量、温度、温度差、表面粗さ、不純物濃度な
ど、多種多様な条件で左右される。中でも、液体金属中
の不純物、特に、溶解酸素濃度は、腐食現象および速度
に大きく影響を及ぼすことが知られている。
機器や配管などの構造材が腐食され続け、低温部では不
純物が析出して小口径配管などの液体金属流路を閉鎖さ
せる恐れがある。この溶解速度を支配するのは、高温部
での不飽和度によるが、ループの構成や形状などの装置
の状況、流量、温度、温度差、表面粗さ、不純物濃度な
ど、多種多様な条件で左右される。中でも、液体金属中
の不純物、特に、溶解酸素濃度は、腐食現象および速度
に大きく影響を及ぼすことが知られている。
【０００５】高速増殖炉のＮａ冷却材の場合、Ｎａの酸
化物標準生成自由エネルギー（酸素ポテンシャル）の絶
対値は、鋼材の主要元素（Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニツケ
ル）、Ｃｒ（クロム））や、一般的な合金元素の酸化物
標準生成自由エネルギーの絶対値より大きい。すなわ
ち、液体Ｎａと接触している構造材表面は還元され、Ｎ
ａは、酸化される傾向にある。
化物標準生成自由エネルギー（酸素ポテンシャル）の絶
対値は、鋼材の主要元素（Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニツケ
ル）、Ｃｒ（クロム））や、一般的な合金元素の酸化物
標準生成自由エネルギーの絶対値より大きい。すなわ
ち、液体Ｎａと接触している構造材表面は還元され、Ｎ
ａは、酸化される傾向にある。
【０００６】従って、構造材の腐食条件は、本質的にそ
れら主要元素の液体Ｎａ中への溶解度によって決定され
る。構造材主要元素の液体Ｎａ中への溶解度は、比較的
小さいことが知られているが、液体Ｎａ中の溶解酸素濃
度の増加とともに腐食速度が増大することが分かってい
る。構造材がステンレス鋼の場合、成分元素のＣｒ、Ｎ
ｉが高温部で溶出し、低温部で析出する。そして、Ｎａ
中の溶解酸素濃度が高いと、Ｃｒの溶出が促進されると
言われている。
れら主要元素の液体Ｎａ中への溶解度によって決定され
る。構造材主要元素の液体Ｎａ中への溶解度は、比較的
小さいことが知られているが、液体Ｎａ中の溶解酸素濃
度の増加とともに腐食速度が増大することが分かってい
る。構造材がステンレス鋼の場合、成分元素のＣｒ、Ｎ
ｉが高温部で溶出し、低温部で析出する。そして、Ｎａ
中の溶解酸素濃度が高いと、Ｃｒの溶出が促進されると
言われている。
【０００７】従って、構造材の腐食防止、質量移行現象
の抑止などの観点から液体金属中の溶解酸素濃度を管理
制御することは、非常に重要となってくる。
の抑止などの観点から液体金属中の溶解酸素濃度を管理
制御することは、非常に重要となってくる。
【０００８】従来の液体金属中の溶解酸素濃度の制御方
法については、その方法の１つに、コールドトラップ法
がある。この方法は、液体金属中の不純物を除去する精
製法の一種であり、不純物の溶解度が低温で小さくなる
性質を利用して、液体金属中の酸素、炭素などの不純物
を低温下でいろいろな化合物の形（反応生成物）で析出
除去し、分離回収する方法である。
法については、その方法の１つに、コールドトラップ法
がある。この方法は、液体金属中の不純物を除去する精
製法の一種であり、不純物の溶解度が低温で小さくなる
性質を利用して、液体金属中の酸素、炭素などの不純物
を低温下でいろいろな化合物の形（反応生成物）で析出
除去し、分離回収する方法である。
【０００９】Ｎａの場合、コールドトラップ法でＮａ中
の溶解酸素濃度を１０ｐｐｍ以下程度まで低減でき、ス
テンレス鋼およびＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ（コバル
ト）、Ｍｏ（モリブデン）などとの両立性を計ってい
る。
の溶解酸素濃度を１０ｐｐｍ以下程度まで低減でき、ス
テンレス鋼およびＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ（コバル
ト）、Ｍｏ（モリブデン）などとの両立性を計ってい
る。
【００１０】また、別の方法として、ホットトラップ法
がある。この方法は、コールドトラップ法で得られる純
度よりも更に高い純度を得たい時に用いられ、高温で酸
素などの不純物とよく結合する金属ゲッターに液体金属
を通し、液体金属中の不純物を金属ゲッターと反応させ
て金属ゲッター中に固定する方法である。例えば、液体
Ｎａ中の酸素に対し、酸化ナトリウムよりも安定な酸化
物を生成する金属として、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジル
コニウム）およびＴｉ−Ｚｒ合金などが用いられ、約６
００℃の液体Ｎａ中の溶解酸素濃度を数ｐｐｍ以下に管
理できている。
がある。この方法は、コールドトラップ法で得られる純
度よりも更に高い純度を得たい時に用いられ、高温で酸
素などの不純物とよく結合する金属ゲッターに液体金属
を通し、液体金属中の不純物を金属ゲッターと反応させ
て金属ゲッター中に固定する方法である。例えば、液体
Ｎａ中の酸素に対し、酸化ナトリウムよりも安定な酸化
物を生成する金属として、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジル
コニウム）およびＴｉ−Ｚｒ合金などが用いられ、約６
００℃の液体Ｎａ中の溶解酸素濃度を数ｐｐｍ以下に管
理できている。
【００１１】更に、水素ガスによる還元処理、酸素ガ
ス、水蒸気などによる酸化処理により溶解酸素濃度を制
御している。
ス、水蒸気などによる酸化処理により溶解酸素濃度を制
御している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
コールドトラップ法やホットトラップ法による液体金属
中の溶解酸素濃度の制御方法は、液体金属中の溶解酸素
濃度の上限を制御するものである。しかし、このような
制御方法は、液体金属の種類によっては、以下のような
不都合を生じる。
コールドトラップ法やホットトラップ法による液体金属
中の溶解酸素濃度の制御方法は、液体金属中の溶解酸素
濃度の上限を制御するものである。しかし、このような
制御方法は、液体金属の種類によっては、以下のような
不都合を生じる。
【００１３】例えば、液体金属にＰｂ−Ｂｉを使用した
場合、液体Ｐｂ−Ｂｉに対する鋼材主要元素の溶解度が
大きく、液体Ｐｂ−Ｂｉ中の溶解酸素濃度を上限以下に
制御するだけでは、構造材の腐食の進展を抑制すること
が困難であるという問題が生じる。すなわち、溶解酸素
濃度が小さ過ぎてもかえって構造材の腐食を加速させる
という問題がある。
場合、液体Ｐｂ−Ｂｉに対する鋼材主要元素の溶解度が
大きく、液体Ｐｂ−Ｂｉ中の溶解酸素濃度を上限以下に
制御するだけでは、構造材の腐食の進展を抑制すること
が困難であるという問題が生じる。すなわち、溶解酸素
濃度が小さ過ぎてもかえって構造材の腐食を加速させる
という問題がある。
【００１４】上記の問題点を回避するため、構造材の溶
解速度を減少させる方法として、インヒビターの添加に
より構造材表面に保護皮膜を形成する方法があるが、こ
の場合、保護皮膜が厚く成長し過ぎると膜剥がれや、熱
衝撃によるクラックが発生し、こうした部分を起点に局
部的に腐食が進行するといった問題があった。
解速度を減少させる方法として、インヒビターの添加に
より構造材表面に保護皮膜を形成する方法があるが、こ
の場合、保護皮膜が厚く成長し過ぎると膜剥がれや、熱
衝撃によるクラックが発生し、こうした部分を起点に局
部的に腐食が進行するといった問題があった。
【００１５】従って、Ｐｂ、Ｂｉのような構造材主要元
素の溶解度が大きい液体金属や液体合金の冷却材への適
用は、従来技術では、十分な腐食抑制ができていなかっ
た。
素の溶解度が大きい液体金属や液体合金の冷却材への適
用は、従来技術では、十分な腐食抑制ができていなかっ
た。
【００１６】また、ガスによる酸化還元処理は、ガス供
給設備が必要な上、水素還元では、水蒸気が生成され、
水蒸気の系内からの排出が必要となってくる。
給設備が必要な上、水素還元では、水蒸気が生成され、
水蒸気の系内からの排出が必要となってくる。
【００１７】そこで、本発明は、このような問題点を解
決するもので、その目的とするところは、液体金属中の
溶解酸素濃度を酸素透過能を有する固体電解質を用いて
制御することにより、構造材に対して高い腐食性を示す
液体金属においても腐食を抑制することが可能な液体金
属中の溶解酸素濃度制御方法を提供するところにあり、
また、上記の問題解決ばかりでなく、新たなデバイスの
創造に寄与するところにある。
決するもので、その目的とするところは、液体金属中の
溶解酸素濃度を酸素透過能を有する固体電解質を用いて
制御することにより、構造材に対して高い腐食性を示す
液体金属においても腐食を抑制することが可能な液体金
属中の溶解酸素濃度制御方法を提供するところにあり、
また、上記の問題解決ばかりでなく、新たなデバイスの
創造に寄与するところにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】このような問題は、下記
（１）〜（５）の本発明により達成される。
（１）〜（５）の本発明により達成される。
【００１９】（１） 酸素イオン導電性を有する固体電
解質を隔壁とし、その一方の側を液体金属に浸漬させ、
他の一方の側を制御すべき酸素濃度に相当する平衡酸素
分圧を有する金属とその酸化物からなる酸素濃度制御用
標準物質に接触させ、前記液体金属と前記酸素濃度制御
用標準物質とを外部回路で短絡させることにより、前記
液体金属中の溶解酸素濃度を、前記液体金属と前記酸素
濃度制御用標準物質との酸素濃度差を利用した酸素透過
により制御することを特徴とする液体金属中の溶解酸素
濃度制御方法。
解質を隔壁とし、その一方の側を液体金属に浸漬させ、
他の一方の側を制御すべき酸素濃度に相当する平衡酸素
分圧を有する金属とその酸化物からなる酸素濃度制御用
標準物質に接触させ、前記液体金属と前記酸素濃度制御
用標準物質とを外部回路で短絡させることにより、前記
液体金属中の溶解酸素濃度を、前記液体金属と前記酸素
濃度制御用標準物質との酸素濃度差を利用した酸素透過
により制御することを特徴とする液体金属中の溶解酸素
濃度制御方法。
【００２０】（２） 前記酸素イオン導電性を有する固
体電解質が安定化ジルコニアからなることを特徴とする
請求項１記載の液体金属中の溶解酸素濃度制御方法。
体電解質が安定化ジルコニアからなることを特徴とする
請求項１記載の液体金属中の溶解酸素濃度制御方法。
【００２１】（３） 前記液体金属が、本質的に鉛、ビ
スマス、鉛ビスマス合金のいずれかであることを特徴と
する請求項１記載の液体金属中の溶解酸素濃度制御方
法。
スマス、鉛ビスマス合金のいずれかであることを特徴と
する請求項１記載の液体金属中の溶解酸素濃度制御方
法。
【００２２】（４） 前記液体金属が、少なくとも低合
金鋼、特殊鋼、炭素鋼の中から選ばれた１種からなる容
器に収容されていることを特徴とする請求項１、２又は
３記載の液体金属中の溶解酸素濃度制御方法。
金鋼、特殊鋼、炭素鋼の中から選ばれた１種からなる容
器に収容されていることを特徴とする請求項１、２又は
３記載の液体金属中の溶解酸素濃度制御方法。
【００２３】（５） 前記液体金属の温度範囲が前記液
体金属の融点〜６５０℃であることを特徴とする請求項
１、２、３又は４記載の液体金属中の溶解酸素濃度制御
方法。
体金属の融点〜６５０℃であることを特徴とする請求項
１、２、３又は４記載の液体金属中の溶解酸素濃度制御
方法。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の液体金属中の溶解
酸素濃度制御方法の実施の形態について説明する。
酸素濃度制御方法の実施の形態について説明する。
【００２５】液体金属としては、Ｐｂ系、Ｂｉ系、Ｐｂ
−Ｂｉ系が挙げられる。
−Ｂｉ系が挙げられる。
【００２６】液体金属を収容する容器としては、低合金
鋼、特殊鋼、炭素鋼が挙げられる。特殊鋼の代表的なも
のとしては、Ｃｒ−Ｍｏ系鋼、フェライトあるいはマル
テンサイト系Ｃｒ含有鋼、オーステナイト鋼が好まし
い。Ｐｂ、Ｂｉに対するＮｉの溶解度が高いため、Ｎｉ
を多く含んだ鋼材は、好ましくない。
鋼、特殊鋼、炭素鋼が挙げられる。特殊鋼の代表的なも
のとしては、Ｃｒ−Ｍｏ系鋼、フェライトあるいはマル
テンサイト系Ｃｒ含有鋼、オーステナイト鋼が好まし
い。Ｐｂ、Ｂｉに対するＮｉの溶解度が高いため、Ｎｉ
を多く含んだ鋼材は、好ましくない。
【００２７】次に、液体金属中の溶解酸素濃度と容器構
造材の酸化皮膜との関係に関して説明する。
造材の酸化皮膜との関係に関して説明する。
【００２８】熱力学的観点、すなわち、酸化物の標準生
成自由エネルギーの比較から、本発明に係る主な液体金
属成分及び容器主要成分の酸化物の安定性の序列は、酸
化ケイ素＞酸化クロム＞酸化モリブデン＞酸化鉄＞酸化
鉛＞酸化ビスマスの順である。
成自由エネルギーの比較から、本発明に係る主な液体金
属成分及び容器主要成分の酸化物の安定性の序列は、酸
化ケイ素＞酸化クロム＞酸化モリブデン＞酸化鉄＞酸化
鉛＞酸化ビスマスの順である。
【００２９】これを基に液体金属及び容器主要成分と酸
素との相互作用による腐食性について、液体金属中の溶
解酸素濃度レベルにより大きくは、次の３つの場合に分
類される。
素との相互作用による腐食性について、液体金属中の溶
解酸素濃度レベルにより大きくは、次の３つの場合に分
類される。
【００３０】（１） 液体金属中の溶解酸素濃度レベル
が十分に低く、鉄が酸化されないような条件では、液体
金属中に鉄が溶解し、容器の腐食は、進行する。
が十分に低く、鉄が酸化されないような条件では、液体
金属中に鉄が溶解し、容器の腐食は、進行する。
【００３１】（２） 液体金属中の溶解酸素濃度レベル
が高くなり、鉄が酸化されるような条件では、容器表面
に酸化鉄、酸化クロム、鉄クロム複合酸化物などの酸化
被膜が生成され、これらの酸化被膜は、液体金属中で安
定な保護被膜となり、腐食が防止される。
が高くなり、鉄が酸化されるような条件では、容器表面
に酸化鉄、酸化クロム、鉄クロム複合酸化物などの酸化
被膜が生成され、これらの酸化被膜は、液体金属中で安
定な保護被膜となり、腐食が防止される。
【００３２】（３） 液体金属中の溶解酸素濃度レベル
が更に高くなり、鉛が酸化されるような条件では、酸化
鉛のスラグが液体金属中に発生し、冷却機能の悪化、配
管のプラグ等を生じる。更に、酸化被膜が厚く成長し過
ぎて膜剥がれや、熱衝撃によるクラックが発生し易くな
り、こうした部分を起点に局部腐食が進行する。
が更に高くなり、鉛が酸化されるような条件では、酸化
鉛のスラグが液体金属中に発生し、冷却機能の悪化、配
管のプラグ等を生じる。更に、酸化被膜が厚く成長し過
ぎて膜剥がれや、熱衝撃によるクラックが発生し易くな
り、こうした部分を起点に局部腐食が進行する。
【００３３】従って、本発明の液体金属中の溶解酸素濃
度制御方法においては、基本的に上記（２）の条件、す
なわち、鉄は、酸化され、鉛は酸化されないような溶解
酸素濃度に制御すればよいことになる。
度制御方法においては、基本的に上記（２）の条件、す
なわち、鉄は、酸化され、鉛は酸化されないような溶解
酸素濃度に制御すればよいことになる。
【００３４】本発明の液体金属中の溶解酸素濃度は、酸
素透過能を有する固体電解質を用いて制御する。
素透過能を有する固体電解質を用いて制御する。
【００３５】固体電解質としては、酸素イオン導電性を
有する安定化ジルコニアが挙げられる。具体的には、イ
ットリア（Ｙ2 Ｏ3 ）安定化ジルコニア（ＺｒＯ2 ）、
カルシア（ＣａＯ）安定化ジルコニア、酸化ガドリニウ
ム（Ｇｄ2 Ｏ3 ）安定化ジルコニア、酸化スカンジウム
（Ｓｃ2 Ｏ3 ）安定化ジルコニア、酸化イッテルビウム
（Ｙｂ2 Ｏ3 ）安定化ジルコニアなどが挙げられる。
有する安定化ジルコニアが挙げられる。具体的には、イ
ットリア（Ｙ2 Ｏ3 ）安定化ジルコニア（ＺｒＯ2 ）、
カルシア（ＣａＯ）安定化ジルコニア、酸化ガドリニウ
ム（Ｇｄ2 Ｏ3 ）安定化ジルコニア、酸化スカンジウム
（Ｓｃ2 Ｏ3 ）安定化ジルコニア、酸化イッテルビウム
（Ｙｂ2 Ｏ3 ）安定化ジルコニアなどが挙げられる。
【００３６】このような安定化ジルコニアを酸素濃度の
異なる２室の隔壁として用い、安定化ジルコニアの両面
を電極を介して外部回路で短絡させると、高酸素濃度側
から低酸素濃度側へ酸素の選択透過が可能となり、そし
て、２室の酸素濃度差が無くなるように酸素透過が起こ
る。
異なる２室の隔壁として用い、安定化ジルコニアの両面
を電極を介して外部回路で短絡させると、高酸素濃度側
から低酸素濃度側へ酸素の選択透過が可能となり、そし
て、２室の酸素濃度差が無くなるように酸素透過が起こ
る。
【００３７】従って、一方の酸素濃度を一定にしておく
と、酸素透過を通じて最終的には、もう一方の酸素濃度
も同じ酸素濃度になるように酸素の透過が起こる。
と、酸素透過を通じて最終的には、もう一方の酸素濃度
も同じ酸素濃度になるように酸素の透過が起こる。
【００３８】本発明においては、上述のように、鉄は酸
化され、鉛は酸化されないような溶解酸素濃度に制御す
る必要があり、酸素濃度制御用標準物質としては、酸化
物の安定性の序列から考慮して、Ｆｅ−Ｆｅ3 Ｏ4 系と
Ｐｂ−ＰｂＯ系の間に位置する平衡酸素分圧を有する金
属と、その酸化物にする必要がある。具体的には、Ｓｎ
−ＳｎＯ2 系、Ｎｉ−ＮｉＯ系、Ｃｏ−ＣｏＯ系などが
挙げられるが、使用する温度で金属が溶融する状態にあ
るＳｎ−ＳｎＯ2 系が特に好ましい。
化され、鉛は酸化されないような溶解酸素濃度に制御す
る必要があり、酸素濃度制御用標準物質としては、酸化
物の安定性の序列から考慮して、Ｆｅ−Ｆｅ3 Ｏ4 系と
Ｐｂ−ＰｂＯ系の間に位置する平衡酸素分圧を有する金
属と、その酸化物にする必要がある。具体的には、Ｓｎ
−ＳｎＯ2 系、Ｎｉ−ＮｉＯ系、Ｃｏ−ＣｏＯ系などが
挙げられるが、使用する温度で金属が溶融する状態にあ
るＳｎ−ＳｎＯ2 系が特に好ましい。
【００３９】短絡させる外部回路としては、液体金属側
は収容されている容器の金属部分から取り出し、一方、
酸素濃度制御用標準物質側は酸素濃度制御用標準物質と
接触させたリード線から取り出し、短絡させる。リード
線は、酸素濃度制御用標準物質側と反応しないもので、
Ｍｏ、Ｔａ（タンタル）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｏｓ
（オスミウム）、Ｗ（タングステン）、Ｃ（炭素）など
が挙げられる。
は収容されている容器の金属部分から取り出し、一方、
酸素濃度制御用標準物質側は酸素濃度制御用標準物質と
接触させたリード線から取り出し、短絡させる。リード
線は、酸素濃度制御用標準物質側と反応しないもので、
Ｍｏ、Ｔａ（タンタル）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｏｓ
（オスミウム）、Ｗ（タングステン）、Ｃ（炭素）など
が挙げられる。
【００４０】固体電解質の形状、寸法などは、特に、限
定されるものではなく、２室を隔離できればよい。例え
ば、一端封管型、ペレット型などの形状のものが可能で
あり、その大きさもあらゆる大きさのものが可能であ
る。また、多孔質支持体上にペースト塗布、溶射、スパ
ッタなどにより、固体電解質膜を形成することもでき
る。ただし、厚みは、厚すぎると、酸素の透過速度が小
さくなるため、２ｍｍ以下が好ましく、０．３〜１ｍｍ
がより好ましい。
定されるものではなく、２室を隔離できればよい。例え
ば、一端封管型、ペレット型などの形状のものが可能で
あり、その大きさもあらゆる大きさのものが可能であ
る。また、多孔質支持体上にペースト塗布、溶射、スパ
ッタなどにより、固体電解質膜を形成することもでき
る。ただし、厚みは、厚すぎると、酸素の透過速度が小
さくなるため、２ｍｍ以下が好ましく、０．３〜１ｍｍ
がより好ましい。
【００４１】また、固体電解質の数は、特に、限定され
るものではなく、酸素の透過面積を増加させるために複
数使用しても良い。更に、モジュール化して使用しても
良い。
るものではなく、酸素の透過面積を増加させるために複
数使用しても良い。更に、モジュール化して使用しても
良い。
【００４２】本発明において、液体金属の温度範囲は、
使用する液体金属の融点〜６５０℃であることが好まし
く、Ｐｂ系では、３３０℃〜６００℃、Ｂｉ系及びＰｂ
−Ｂｉ系では、３００℃〜６００℃がより好ましい。温
度が低すぎると、固体電解質による酸素の透過が困難と
なる。また、温度が高すぎると、容器鋼材の腐食が激し
くなる。
使用する液体金属の融点〜６５０℃であることが好まし
く、Ｐｂ系では、３３０℃〜６００℃、Ｂｉ系及びＰｂ
−Ｂｉ系では、３００℃〜６００℃がより好ましい。温
度が低すぎると、固体電解質による酸素の透過が困難と
なる。また、温度が高すぎると、容器鋼材の腐食が激し
くなる。
【００４３】
【実施例】以下、本発明の液体金属中の溶解酸素濃度制
御方法について具体的に説明する。図１は、本発明の液
体金属中の溶解酸素濃度制御方法の一実施例を示す模式
図である。
御方法について具体的に説明する。図１は、本発明の液
体金属中の溶解酸素濃度制御方法の一実施例を示す模式
図である。
【００４４】図１において、１は、固体電解質からなる
一端封管であり、液体金属３を収容した容器２内に挿入
されている。この固体電解質製の一端封管１内には、制
御すべき酸素濃度に相当する平衡酸素分圧を有する金属
とその酸化物とからなる酸素濃度制御用の標準物質４を
充填させている。酸素濃度制御用標準物質４には、Ｍｏ
製のリード線５が挿入されている。
一端封管であり、液体金属３を収容した容器２内に挿入
されている。この固体電解質製の一端封管１内には、制
御すべき酸素濃度に相当する平衡酸素分圧を有する金属
とその酸化物とからなる酸素濃度制御用の標準物質４を
充填させている。酸素濃度制御用標準物質４には、Ｍｏ
製のリード線５が挿入されている。
【００４５】この一端封管１の上部開口部は、シール部
７でシールされ、固体電解質製の一端封管１の破損時な
どによる液体金属３の逆流を防止している。固体電解質
による酸素の選択透過は、液体金属３側と酸素濃度制御
用標準物質４側との酸素ポテンシャルの差を駆動力とし
て生じる。
７でシールされ、固体電解質製の一端封管１の破損時な
どによる液体金属３の逆流を防止している。固体電解質
による酸素の選択透過は、液体金属３側と酸素濃度制御
用標準物質４側との酸素ポテンシャルの差を駆動力とし
て生じる。
【００４６】この時、酸素は、容器２の金属部とリード
線５とを接続する外部回路６を通じて電子を受容し、酸
素イオンとなって固体電解質製の一端封管１中を拡散し
て他面に到達し、外部回路６に電子を放出し、酸素が選
択透過される。そして、固体電解質製の一端封管１を液
体金属３中に浸漬し、外部回路６で短絡させておくだけ
で、液体金属３側と酸素濃度制御用標準物質４側との酸
素ポテンシャルが同じになるように高酸素側から低酸素
側への酸素透過を通じて自発的に液体金属３中の溶解酸
素濃度が制御される。 （実施例１）５５０℃の液体金属（Ｐｂ−Ｂｉ共晶合
金）を満たした１８Ｃｒ−１Ｍｏ鋼製の密閉タンク内
に、酸素濃度制御用標準物質（Ｓｎ−ＳｎＯ2 ）を充填
させた８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア製の一端
封管を浸漬させた。そして、１８Ｃｒ−１Ｍｏ鋼製の密
閉タンクと、Ｓｎ−ＳｎＯ2 に接触させたＭｏ（モリブ
デン）製のリード線とを外部回路で短絡させ、液体金属
（Ｐｂ−Ｂｉ共晶合金）中の溶解酸素濃度を図示しない
酸素センサーを用いて評価した。
線５とを接続する外部回路６を通じて電子を受容し、酸
素イオンとなって固体電解質製の一端封管１中を拡散し
て他面に到達し、外部回路６に電子を放出し、酸素が選
択透過される。そして、固体電解質製の一端封管１を液
体金属３中に浸漬し、外部回路６で短絡させておくだけ
で、液体金属３側と酸素濃度制御用標準物質４側との酸
素ポテンシャルが同じになるように高酸素側から低酸素
側への酸素透過を通じて自発的に液体金属３中の溶解酸
素濃度が制御される。 （実施例１）５５０℃の液体金属（Ｐｂ−Ｂｉ共晶合
金）を満たした１８Ｃｒ−１Ｍｏ鋼製の密閉タンク内
に、酸素濃度制御用標準物質（Ｓｎ−ＳｎＯ2 ）を充填
させた８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア製の一端
封管を浸漬させた。そして、１８Ｃｒ−１Ｍｏ鋼製の密
閉タンクと、Ｓｎ−ＳｎＯ2 に接触させたＭｏ（モリブ
デン）製のリード線とを外部回路で短絡させ、液体金属
（Ｐｂ−Ｂｉ共晶合金）中の溶解酸素濃度を図示しない
酸素センサーを用いて評価した。
【００４７】液体金属（Ｐｂ−Ｂｉ共晶合金）中の溶解
酸素濃度を１０-8ｍａｓｓ％まで減少させた後、液体金
属（Ｐｂ−Ｂｉ共晶合金）内に８ｍｏｌ％イットリア安
定化ジルコニア製一端封管を挿入し、外部回路で短絡さ
せた。すると、徐々に酸素濃度が増加し、約３０時間で
１０-7ｍａｓｓ％に達し、その後、この酸素濃度は、長
期にわたって維持された。
酸素濃度を１０-8ｍａｓｓ％まで減少させた後、液体金
属（Ｐｂ−Ｂｉ共晶合金）内に８ｍｏｌ％イットリア安
定化ジルコニア製一端封管を挿入し、外部回路で短絡さ
せた。すると、徐々に酸素濃度が増加し、約３０時間で
１０-7ｍａｓｓ％に達し、その後、この酸素濃度は、長
期にわたって維持された。
【００４８】次に、液体金属（Ｐｂ−Ｂｉ共晶合金）中
の溶解酸素濃度を１０-3ｍａｓｓ％まで増加させた後、
液体金属（Ｐｂ−Ｂｉ共晶合金）内に８ｍｏｌ％イット
リア安定化ジルコニア製一端封管を挿入し、外部回路で
短絡させた。すると、徐々に酸素濃度が減少し、約４８
時間で１０-7ｍａｓｓ％に達し、その後、この酸素濃度
は、長期にわたって維持された。
の溶解酸素濃度を１０-3ｍａｓｓ％まで増加させた後、
液体金属（Ｐｂ−Ｂｉ共晶合金）内に８ｍｏｌ％イット
リア安定化ジルコニア製一端封管を挿入し、外部回路で
短絡させた。すると、徐々に酸素濃度が減少し、約４８
時間で１０-7ｍａｓｓ％に達し、その後、この酸素濃度
は、長期にわたって維持された。
【００４９】これに対し、液体金属（Ｐｂ−Ｂｉ共晶合
金）内に８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア製の一
端封管を挿入しただけで、外部回路を短絡させない場
合、酸素の透過は、認められず、溶解酸素濃度を制御す
ることができなかった。
金）内に８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア製の一
端封管を挿入しただけで、外部回路を短絡させない場
合、酸素の透過は、認められず、溶解酸素濃度を制御す
ることができなかった。
【００５０】
【発明の効果】上記のように、本発明によれば、酸素透
過能を有する固体電解質を用い、固体電解質両面の液体
金属と酸素濃度制御用標準物質とを外部回路で短絡させ
ることにより、高酸素濃度側から低酸素濃度側への酸素
の選択透過が生じ、極めて簡単に液体金属中の溶解酸素
濃度を制御することが可能となった。その結果、これま
で使用することが困難だった腐食性の高いＰｂ、Ｂｉ系
の液体金属を冷却材に使用することができるようになっ
た。
過能を有する固体電解質を用い、固体電解質両面の液体
金属と酸素濃度制御用標準物質とを外部回路で短絡させ
ることにより、高酸素濃度側から低酸素濃度側への酸素
の選択透過が生じ、極めて簡単に液体金属中の溶解酸素
濃度を制御することが可能となった。その結果、これま
で使用することが困難だった腐食性の高いＰｂ、Ｂｉ系
の液体金属を冷却材に使用することができるようになっ
た。
【００５１】更に、従来、Ｎａ冷却材で問題とされた反
応性（特に、水との反応性）の高さに関して、より化学
的に不活性なＰｂ系、Ｂｉ系が使用できるようになるな
ど、その適用範囲は、極めて広い。
応性（特に、水との反応性）の高さに関して、より化学
的に不活性なＰｂ系、Ｂｉ系が使用できるようになるな
ど、その適用範囲は、極めて広い。
【図１】本発明に係る液体金属中の溶解酸素濃度制御方
法の一実施例を示す模式図である。
法の一実施例を示す模式図である。
１ 固体電解質製の一端封管
２ 容器
３ 液体金属
４ 酸素濃度制御用標準物質
５ リード線
６ 外部回路
７ シール部
Claims (5)
- 【請求項１】 酸素イオン導電性を有する固体電解質を
隔壁とし、その一方の側を液体金属に浸漬させ、他の一
方の側を制御すべき酸素濃度に相当する平衡酸素分圧を
有する金属とその酸化物からなる酸素濃度制御用標準物
質に接触させ、前記液体金属と前記酸素濃度制御用標準
物質とを外部回路で短絡させることにより、前記液体金
属中の溶解酸素濃度を、前記液体金属と前記酸素濃度制
御用標準物質との酸素濃度差を利用した酸素透過により
制御することを特徴とする液体金属中の溶解酸素濃度制
御方法。 - 【請求項２】 前記酸素イオン導電性を有する固体電解
質が安定化ジルコニアからなることを特徴とする請求項
１記載の液体金属中の溶解酸素濃度制御方法。 - 【請求項３】 前記液体金属が、本質的に鉛、ビスマ
ス、鉛ビスマス合金のいずれかであることを特徴とする
請求項１記載の液体金属中の溶解酸素濃度制御方法。 - 【請求項４】 前記液体金属が、少なくとも低合金鋼、
特殊鋼、炭素鋼の中から選ばれた１種からなる容器に収
容されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載
の液体金属中の溶解酸素濃度制御方法。 - 【請求項５】 前記液体金属の温度範囲が前記液体金属
の融点〜６５０℃であることを特徴とする請求項１、
２、３又は４記載の液体金属中の溶解酸素濃度制御方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002111653A JP2003307589A (ja) | 2002-04-15 | 2002-04-15 | 液体金属中の溶解酸素濃度制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002111653A JP2003307589A (ja) | 2002-04-15 | 2002-04-15 | 液体金属中の溶解酸素濃度制御方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003307589A true JP2003307589A (ja) | 2003-10-31 |
Family
ID=29394389
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002111653A Withdrawn JP2003307589A (ja) | 2002-04-15 | 2002-04-15 | 液体金属中の溶解酸素濃度制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003307589A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006226966A (ja) * | 2005-02-21 | 2006-08-31 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | 酸素センサ |
| JP2006250577A (ja) * | 2005-03-08 | 2006-09-21 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | 酸素濃度センサ |
| CN102749949A (zh) * | 2012-06-29 | 2012-10-24 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种适用于实现氧控反应的实验装置 |
| CN106774481A (zh) * | 2016-12-12 | 2017-05-31 | 中广核研究院有限公司 | 一种控制液态LBE/Pb冷却剂中氧浓度的装置及系统 |
| CN111881631A (zh) * | 2020-07-22 | 2020-11-03 | 西安交通大学 | 一种铅冷快堆控氧过程中氧浓度扩散数值模拟方法 |
| CN112562792A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-03-26 | 中国科学院金属研究所 | 一种金属在液态铅中稳定存在所需氧浓度的计算方法 |
-
2002
- 2002-04-15 JP JP2002111653A patent/JP2003307589A/ja not_active Withdrawn
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006226966A (ja) * | 2005-02-21 | 2006-08-31 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | 酸素センサ |
| JP4620487B2 (ja) * | 2005-02-21 | 2011-01-26 | 三井造船株式会社 | 酸素センサ |
| JP2006250577A (ja) * | 2005-03-08 | 2006-09-21 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | 酸素濃度センサ |
| JP4620503B2 (ja) * | 2005-03-08 | 2011-01-26 | 三井造船株式会社 | 酸素濃度センサ |
| CN102749949A (zh) * | 2012-06-29 | 2012-10-24 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种适用于实现氧控反应的实验装置 |
| CN106774481A (zh) * | 2016-12-12 | 2017-05-31 | 中广核研究院有限公司 | 一种控制液态LBE/Pb冷却剂中氧浓度的装置及系统 |
| CN106774481B (zh) * | 2016-12-12 | 2023-11-14 | 中广核研究院有限公司 | 一种控制液态LBE/Pb冷却剂中氧浓度的装置及系统 |
| CN111881631A (zh) * | 2020-07-22 | 2020-11-03 | 西安交通大学 | 一种铅冷快堆控氧过程中氧浓度扩散数值模拟方法 |
| CN112562792A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-03-26 | 中国科学院金属研究所 | 一种金属在液态铅中稳定存在所需氧浓度的计算方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20050705 |