JP2010019592A - Sodium purifier - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高速増殖炉に備えられるコールドトラップと呼ばれるナトリウム浄化装置に係り、特に、液体金属ナトリウム中に含まれる不純物を捕獲する不純物捕獲部の長寿命化を図る手段に関する。 The present invention relates to a sodium purification device called a cold trap provided in a fast breeder reactor, and more particularly to means for extending the life of an impurity trapping part that traps impurities contained in liquid metal sodium.
従来、冷却材として液体金属ナトリウムを用いる高速増殖炉には、コールドトラップと呼ばれるナトリウム浄化装置が備えられている。この装置は、液体金属ナトリウム中に溶解している不純物を、温度による飽和溶解度の差を利用して析出し、低温部に充填されたメッシュ(金網)やエキスパンドメタル等のメッシュ充填物からなる不純物捕獲部で捕獲する精製機器である(例えば、非特許文献1参照。)。 Conventionally, a fast breeder reactor using liquid metal sodium as a coolant has been provided with a sodium purification device called a cold trap. This device deposits impurities dissolved in liquid metal sodium using the difference in saturation solubility depending on the temperature, and consists of mesh (wire mesh) filled in the low-temperature part or mesh filling such as expanded metal. It is the refinement | purification apparatus captured with a capture part (for example, refer nonpatent literature 1).
図8は、従来知られているこの種のコールドトラップの一例を示す図である。この図から明らかなように、本例のコールドトラップは、円筒容器状に形成された胴体10の内部に、上部管板21及び下部管板22と、これらの各管板21,22に貫通保持され、胴体10の内壁に沿って配列された多数の冷却管18と、これら冷却管18の配設位置よりも内周側においてこれと同心に配列された断熱ガス層15と、この断熱ガス層15の配設位置よりも内周側においてこれと同心に配列された不純物捕獲部12と、胴体10の上部及び上部管板21を貫通し、胴体10内に設けられた冷却部11と連通するナトリウム入口配管19と、胴体10の上部及び上部管板21を貫通し、不純物捕獲部12と連通するナトリウム出口配管20と、胴体10の下部に設けられた冷却ガス入口配管16と、胴体10の上部に設けられた冷却ガス出口配管17とから主に構成されている。
FIG. 8 is a diagram showing an example of a cold trap of this type that is conventionally known. As is clear from this figure, the cold trap of this example has an
被精製物である液体金属ナトリウムは、ナトリウム入口配管19から胴体10内に流入し、冷却部11を通って流下する。一方、冷却ガスは、冷却ガス入口配管16から胴体10内に入り、周辺に多数並設された冷却配管18を通って上昇する。この過程で流下してくる液体金属ナトリウムとの間で熱交換が行われ、温められた冷却ガスは更に上昇して冷却ガス出口配管17から流出する。冷却部11において冷却された液体金属ナトリウムは、下部管板22でその流向が反転されて不純物捕獲部12を通り、そこで不純物が析出除去される。精製されたナトリウムは、ナトリウム出口配管20を通って流出する(例えば、特許文献1参照。)。
Liquid metal sodium as the material to be purified flows into the
かかる構成を有するコールドトラップは、運転を続けて行くと、不純物捕獲部12が不純物によって目詰まりするため、液体金属ナトリウムの入口側と出口側の差圧が上昇して、液体金属ナトリウムの円滑な流れが妨げられる。このため、前記差圧が所定の値以上になった場合には、例えば特許文献2に開示されている再生方法等を用いた不純物捕獲部の再生処理が必要となる。
しかしながら、不純物捕獲部の再生処理は、操作が煩雑で多大の労力を要すると共に、二次廃棄物が発生するという問題もある。したがって、不純物捕獲部の再生処理を不要にしたり、その頻度を低減できる技術の開発が望まれている。 However, the regeneration process of the impurity trapping part has a problem that the operation is complicated and requires a lot of labor, and secondary waste is generated. Therefore, it is desired to develop a technique that can eliminate the need for the regeneration process of the impurity trapping portion or reduce the frequency thereof.
不純物捕獲部の再生処理を不要にしたり、その頻度を低減するためには、差圧や不純物の捕獲量及び除去率の問題を犠牲にすることなく、メッシュ充填物からなる不純物捕獲部の長寿命化を図る必要がある。 In order to eliminate the need to regenerate the impurity trapping part or reduce its frequency, the long life of the impurity trapping part made of mesh filling without sacrificing the problem of differential pressure, impurity trapping amount and removal rate It is necessary to plan.
本発明は、かかる要請に基づいてなされたものであり、その目的は、煩雑な不純物捕獲部の再生処理を不要としたり、再生処理の頻度を低減できるコールドトラップを提供することにある。 The present invention has been made based on such a demand, and an object of the present invention is to provide a cold trap that can eliminate the need for complicated regeneration processing of the impurity trapping portion and can reduce the frequency of the regeneration processing.
本発明は、上記の目的を達成するため、液体金属ナトリウムの流路中に不純物捕獲用のメッシュ充填物を配置してなるナトリウム浄化装置において、前記液体金属ナトリウムの流れ方向に少なくとも2層のメッシュ充填物を配置し、これら各層のメッシュ充填物のメッシュ格子長をa、素線径をb、これら各値の差を(a−b)としたとき、前記液体金属ナトリウムの流れ方向の下流側には、前記液体金属ナトリウムの流れ方向の上流側に配置されるメッシュ充填物よりも(a−b)の値が小さいメッシュ充填物を配置するという構成にした。 In order to achieve the above object, the present invention provides a sodium purification apparatus in which a mesh filling for trapping impurities is arranged in a flow path of liquid metal sodium, and the mesh of at least two layers in the flow direction of the liquid metal sodium. The packing is arranged, and when the mesh lattice length of the mesh packing of each layer is a, the wire diameter is b, and the difference between these values is (ab), the downstream side in the flow direction of the liquid metal sodium In the configuration, a mesh filler having a value (ab) smaller than that of the mesh filler arranged on the upstream side in the flow direction of the liquid metal sodium is arranged.
メッシュやエキスパンドメタル等のメッシュ充填物の実効的な空間量は、メッシュ格子長aと素線径bとをもって表すことができる。そして、本願発明者らの実験によると、メッシュ格子長aと素線径bの差(a−b)が大きいほど、不純物の捕獲量は増加するが、不純物の除去率は小さくなり、反対に、その差(a−b)が小さいほど、不純物の除去率は増加するが、不純物の捕獲量は小さくなる。そこで、液体金属ナトリウムの流れ方向の上流側に(a−b)の値が大きいメッシュ充填物を配置し、下流側に(a−b)の値が小さいメッシュ充填物を配置すると、不純物の捕獲量及び除去率が高く、かつ目詰まりしにくい不純物捕獲部とすることができる。よって、不純物捕獲部を長寿命化することができ、不純物捕獲部の再生処理を不要にしたり、その頻度を低減できて、不純物捕獲部の再生処理に要する労力の省略又は軽減と、不純物捕獲部の再生処理に伴って発生する二次廃棄物の解消又は低減を図ることができる。 An effective space amount of a mesh filler such as a mesh or expanded metal can be expressed by a mesh lattice length a and a wire diameter b. According to the experiments by the present inventors, the larger the difference (ab) between the mesh lattice length a and the wire diameter b, the greater the amount of impurities trapped, but the smaller the impurity removal rate, and vice versa. As the difference (ab) is smaller, the impurity removal rate is increased, but the impurity trapping amount is smaller. Therefore, when a mesh packing having a large value (ab) is arranged on the upstream side in the flow direction of the liquid metal sodium and a mesh packing having a small value (ab) is arranged on the downstream side, trapping of impurities is performed. The amount and removal rate can be high, and an impurity trapping portion that is not easily clogged can be obtained. Therefore, it is possible to extend the life of the impurity trapping part, eliminate the need for the regeneration process of the impurity trapping part, reduce the frequency thereof, omit or reduce the labor required for the regeneration process of the impurity trapping part, and the impurity trapping part It is possible to eliminate or reduce the secondary waste generated with the recycling process.
また、前記構成のナトリウム浄化装置において、前記液体金属ナトリウムの流れ方向の上流側に配置されるメッシュ充填物の(a−b)が4mm以上で、前記液体金属ナトリウムの流れ方向の下流側に配置されるメッシュ充填物の(a−b)が1mm以上4mm未満であるという構成にした。 Further, in the sodium purification apparatus having the above configuration, the mesh packing (ab) disposed on the upstream side in the flow direction of the liquid metal sodium is 4 mm or more, and is disposed on the downstream side in the flow direction of the liquid metal sodium. (Ab) of the mesh filler to be formed is 1 mm or more and less than 4 mm.
実験によると、メッシュ格子長aと素線径bの差(a−b)を4mm以上とすることにより、100kg以上の酸素を捕獲できると共に、その差(a−b)を1mm以上4mm未満とすることにより、約90%以上の酸素を除去することができる。よって、上流側に配置されるメッシュ充填物の(a−b)を4mm以上、下流側に配置されるメッシュ充填物の(a−b)を1mm以上4mm未満とすることにより、不純物の捕獲量及び除去率が高く、かつ目詰まりしにくい不純物捕獲部とすることができる。 According to the experiment, when the difference (ab) between the mesh lattice length a and the wire diameter b is 4 mm or more, 100 kg or more of oxygen can be captured, and the difference (ab) is 1 mm or more and less than 4 mm. By doing so, about 90% or more of oxygen can be removed. Therefore, the amount of trapped impurities is set such that (ab) of the mesh packing arranged on the upstream side is 4 mm or more and (ab) of the mesh packing arranged on the downstream side is 1 mm or more and less than 4 mm. In addition, it is possible to provide an impurity trapping portion that has a high removal rate and is not easily clogged.
本発明のナトリウム浄化装置は、液体金属ナトリウムの流れ方向に少なくとも2層のメッシュ充填物を配置し、これら各層のメッシュ充填物のメッシュ格子長をa、素線径をb、これら各値の差を(a−b)としたとき、液体金属ナトリウムの流れ方向の下流側に、液体金属ナトリウムの流れ方向の上流側に配置されるメッシュ充填物よりも(a−b)の値が小さいメッシュ充填物を配置するので、不純物の捕獲量及び除去率が高く、かつ目詰まりしにくい不純物捕獲部とすることができる。 In the sodium purification apparatus of the present invention, at least two layers of mesh packing are arranged in the flow direction of liquid metal sodium, the mesh lattice length of the mesh packing of each layer is a, the wire diameter is b, and the difference between these values. When (ab) is set to (a-b), mesh packing with a smaller value of (ab) than the mesh packing disposed on the upstream side in the liquid metal sodium flow direction on the downstream side in the liquid metal sodium flow direction Since an object is disposed, an impurity trapping portion that has a high amount of trapped impurities and a high removal rate and is less likely to be clogged can be obtained.
まず、実施形態に係るナトリウム浄化装置(コールドトラップ)の構成を、図1を用いて説明する。図1は実施形態に係るナトリウム浄化装置の断面図である。 First, the structure of the sodium purification apparatus (cold trap) which concerns on embodiment is demonstrated using FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view of a sodium purification device according to an embodiment.
実施形態に係るコールドトラップも、図8に示した従来例に係るコールドトラップと、基本的な構成については同一であり、図1に示すように、円筒容器状に形成された胴体10の内部に、上部管板21及び下部管板22と、これらの各管板21,22に貫通保持され、胴体10の内壁に沿って配列された多数の冷却管18と、これら冷却管18の配設位置よりも内周側においてこれと同心に配列された断熱ガス層15と、胴体10の上部及び上部管板21を貫通し、胴体10内に設けられた冷却部11と連通するナトリウム入口配管19と、胴体10の上部及び上部管板21を貫通し、不純物捕獲部12と連通するナトリウム出口配管20と、胴体10の下部に設けられた冷却ガス入口配管16と、胴体10の上部に設けられた冷却ガス出口配管17とを有している。
The basic structure of the cold trap according to the embodiment is the same as that of the cold trap according to the conventional example shown in FIG. 8, and as shown in FIG. The
実施形態に係るコールドトラップと従来例に係るコールドトラップとの相違は、従来例に係るコールドトラップが、断熱ガス層15の内周側に1層の不純物捕獲部12を備えるのに対して、実施形態に係るコールドトラップは、断熱ガス層15の内周側に第1不純物捕獲部13と第2不純物捕獲部14の2層を備えていることにある。第1不純物捕獲部13は、液状金属ナトリウムの流れ方向に関して上流側に配置される不純物捕獲部であり、第2不純物捕獲部14は、液状金属ナトリウムの流れ方向に関して下流側に配置される不純物捕獲部である。
The difference between the cold trap according to the embodiment and the cold trap according to the conventional example is that the cold trap according to the conventional example includes one
第1及び第2の不純物捕獲部13,14は、メッシュ(金網)やエキスパンドメタル等のメッシュ充填物をもって形成される。エキスパンドメタルは、面方向に多数の切り込みを規則的に入れた金属板を板厚方向に引き延ばしたものであり、メッシュと同様に、切り込み部分に規則性をもった空隙が形成される。
The 1st and 2nd impurity capture
これら第1及び第2の不純物捕獲部13,14を構成するメッシュ充填物のメッシュ格子長をa、素線径をb、これら各値の差を(a−b)としたとき、第2の不純物捕獲部14を構成するメッシュ充填物としては、第1の不純物捕獲部13を構成するメッシュ充填物よりも、(a−b)の値が小さいものが用いられる。
When the mesh lattice length of the mesh filler constituting the first and
ナトリウム出口配管20は、第2不純物捕獲部14と連通するように、その上部に接続される。
The
本例のコールドトラップは、被精製液体金属ナトリウムがナトリウム入口配管19から胴体10内に流入し、周辺の冷却部11を通って流下する。一方、冷却ガスは冷却ガス入口配管16から胴体10内に入り、周辺に多数並設された冷却配管18を通って上昇する。この過程で流下してくる液体金属ナトリウムとの間で熱交換が行われ、温められた冷却ガスは更に上昇して冷却ガス出口配管17から流出する。冷却部11において冷却された液体金属ナトリウムは、下部管板22でその流向が反転されて第1不純物捕獲部13を通り、そこで不純物が析出除去され、さらに、第2不純物捕獲部14を通り、そこでも不純物が析出除去される。精製されたナトリウムはナトリウム出口配管20を通って流出する。
In the cold trap of this example, liquid metal sodium to be purified flows into the
以下、本実施形態に係る第1不純物捕獲部13及び第2不純物捕獲部14の仕様を、図2乃至図7に基づいて説明する。これらの仕様は、実際のプラントデータ等によって妥当性が確認された計算コードを用いた以下の検討によって見出されたものである。
Hereinafter, specifications of the
図2に示すように、不純物捕獲部13,14を構成するメッシュ充填物は、ワイヤで囲まれた立方体としてモデル化できる。基本的には、このモデルから算出される素線全長と、メッシュの充填密度、ワイヤの密度、ワイヤの径から計算されるワイヤの体積割合の式を用いて解く。
As shown in FIG. 2, the mesh filler constituting the
具体的には、ワイヤの単位体積あたりの全長をAとすると、図2に示すモデルから、1格子当たり3辺分のワイヤがあればよいので、次式で表される。 Specifically, assuming that the total length per unit volume of the wire is A, from the model shown in FIG.
A ≒格子一つ当たりワイヤ長さ×単位体積あたりの格子の個数≒3・L/L3
一方、メッシュの充填密度をワイヤの密度で除して求められるワイヤの体積割合Vは、次式で表される。
A ≒ wire length per grid x number of grids per unit volume ≒ 3 · L / L 3
On the other hand, the volume ratio V of the wire obtained by dividing the mesh packing density by the wire density is expressed by the following equation.
V=π/4・D2・A=3/4・π・(D/L)2
さらに、格子の交点部分のワイヤの重なり合いを考慮すると、ワイヤの体積割合Vは、次式で表される。
V = π / 4 · D 2 · A = 3/4 · π · (D / L) 2
Further, in consideration of the overlapping of the wires at the intersection of the lattice, the volume ratio V of the wire is expressed by the following equation.
V≒3/4・π・(D/L)2−1.8/4・π・(D/L)3
上式より、格子長Lを求めることができる。
V≈3 / 4 · π · (D / L) 2 −1.8 / 4 · π · (D / L) 3
From the above equation, the lattice length L can be obtained.
また、図2に示すように、液体金属ナトリウム中の不純物である酸素Oや水素Hは、外部境膜を拡散し、ワイヤ(素線)または沈殿物を核として析出する。ワイヤ上の沈殿物量は、時間の経過とともに増加し、ワイヤの線径が見掛け上大きくなる。線径が、格子長さLに近づくと、差圧が上昇して液体金属ナトリウムが透過できなくなる。 In addition, as shown in FIG. 2, oxygen O and hydrogen H, which are impurities in the liquid metal sodium, diffuse through the outer boundary film and deposit with a wire (elementary wire) or precipitate as a nucleus. The amount of precipitate on the wire increases with time, and the wire diameter of the wire apparently increases. When the wire diameter approaches the lattice length L, the differential pressure increases and liquid metal sodium cannot pass therethrough.
次に、計算モデルを用いて、差圧が上昇するまでの不純物捕獲量と、除去率の計算を行った。ここでは、2つの線径のメッシュの充填密度を変えて、計算を行った。図3及び図5は、計算結果を充填密度で整理したデータであり、図4及び図6は、実効的な空間量を表す「格子長a−素線径b」で整理したデータである。図4及び図6に示すように、「格子長a−素線径b」で整理すると、不純物捕獲量及び除去率ともに、良い直線関係が得られ、液体金属ナトリウム中から不純物を除去する系において、「格子長a−素線径b」で整理できることを見出した。 Next, the amount of impurities trapped until the differential pressure increased and the removal rate were calculated using a calculation model. Here, the calculation was performed by changing the packing density of the meshes having two wire diameters. 3 and 5 are data in which the calculation results are arranged by packing density, and FIGS. 4 and 6 are data in which “lattice length a−element diameter b” representing an effective space amount are arranged. As shown in FIG. 4 and FIG. 6, when arranged by “lattice length a−element diameter b”, a good linear relationship is obtained for both the impurity trapping amount and removal rate, and in a system for removing impurities from liquid metal sodium. , "Lattice length a-strand diameter b", it was found that can be organized.
図4から明らかなように、不純物捕獲量は、「格子長a−素線径b」が大きくなるほど増加する。これに対して、図6から明かなように、不純物除去率は、「格子長a−素線径b」が大きくなるほど小さくなる。したがって、従来のコールドトラップでは、不純物捕獲量がほぼ0となる領域を除くため、「格子長a−素線径b」が1mm以上4mm未満の領域を使用している。 As apparent from FIG. 4, the amount of trapped impurities increases as “lattice length a−element diameter b” increases. In contrast, as is clear from FIG. 6, the impurity removal rate decreases as “lattice length a−element diameter b” increases. Therefore, in the conventional cold trap, a region where “lattice length a−element wire diameter b” is 1 mm or more and less than 4 mm is used in order to exclude a region where the amount of trapped impurities is almost zero.
上述のように、本実施形態に係るコールドトラップは、不純物捕獲部を2領域に分け、「格子長a−素線径b」が4mmを超えるメッシュ充填物を充填した第1層と、1mm以上4mm未満のメッシュ充填物を充填した第2層とを形成している。 As described above, in the cold trap according to the present embodiment, the impurity trapping portion is divided into two regions, and the first layer filled with the mesh filler whose “lattice length a−element diameter b” exceeds 4 mm, and 1 mm or more And a second layer filled with a mesh filler of less than 4 mm.
図7に、本実施形態に係るコールドトラップと従来例に係るコールドトラップにおける差圧と不純物捕獲量との関係を示す。 FIG. 7 shows the relationship between the differential pressure and the amount of trapped impurities in the cold trap according to the present embodiment and the cold trap according to the conventional example.
従来例としては、素線径0.294mmのメッシュを、充填密度100kg/m3となるように、外径が1000mmで内径が直径17.3mmの中空円柱状の不純物捕獲部に充填した。このときの「格子長a−素線径b」は、3.8mmである。これに対して、実施形態に係るコールドトラップは、まず第1不純物捕獲部13として、素線径1.0mmのメッシュを充填密度400kg/m3となるように、上述の不純物捕獲部に直径1000mmから800mmまで円柱状に充填した。その後、第2不純物捕獲部14として、従来例と同じ素線径0.294mmのメッシュを充填密度100kg/m3となるように充填した。この時、第1不純物捕獲部13の「格子長a−素線径b」は、5.46mmであり、本発明の4mmを超える条件を満たしている。図7からわかるように、実施形態に係るコールドとラップの酸素捕獲量は、約194kgとなり、従来例に係るコールドとラップの酸素捕獲量である約92kgの2倍以上となる。
As a conventional example, a mesh having a strand diameter of 0.294 mm was filled into a hollow cylindrical impurity trapping portion having an outer diameter of 1000 mm and an inner diameter of 17.3 mm so as to have a packing density of 100 kg / m 3 . At this time, “lattice length a−element diameter b” is 3.8 mm. On the other hand, in the cold trap according to the embodiment, first, as the first
よって、本実施形態に係るコールドトラップは、従来例に係るコールドとラップに比べて2倍以上の長期間にわたって不純物を捕獲することができる。 Therefore, the cold trap according to the present embodiment can capture impurities over a long period of time that is twice or more that of the cold and wrap according to the conventional example.
なお、本実施形態では、液体金属ナトリウムを、円柱状の不純物捕獲部13,14の側面方向から流入させているが、これは、円柱の上面や下面から流入させる方法に比べて、流入面積を大きくできるため、差圧上昇を穏やかにでき、本発明の目的には、好適である。 In the present embodiment, liquid metal sodium is allowed to flow from the side surface direction of the columnar impurity traps 13 and 14, but this has a larger inflow area than the method of flowing from the upper and lower surfaces of the column. Since it can be increased, the differential pressure rise can be moderated, which is suitable for the purpose of the present invention.
また、本実施形態では、素線径0.294mmと素線径1.0mmのメッシュを用いているが、他の素線径でも良い。素線径は太いほど、差圧上昇時の圧力によるメッシュ充填部の圧密が少なく、圧密によって差圧上昇が加速されることを防止できる。 In this embodiment, a mesh having a strand diameter of 0.294 mm and a strand diameter of 1.0 mm is used, but other strand diameters may be used. The thicker the wire diameter, the less the mesh filling portion is compressed by the pressure when the differential pressure is increased, and it is possible to prevent the differential pressure increase from being accelerated by the consolidation.
さらに、前記実施形態においては2層の不純物捕獲部13,14を備えたが、3層以上の不純物捕獲部を備えることもできる。
Furthermore, in the said embodiment, although the two layers of
本実施形態に係るコールドトラップは、FBRに適用可能であるばかりでなく、金属ナトリウム製造ラインへの適用も可能である。 The cold trap according to the present embodiment can be applied not only to FBR but also to a metal sodium production line.
10 胴体
11 冷却部
13 第1不純物捕獲部
14 第2不純物捕獲部
15 断熱ガス層
16 冷却ガス入口配管
17 冷却ガス出口配管
18 冷却管
19 ナトリウム入口配管
20 ナトリウム出口配管、
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
JP2013159792A (en) * | 2012-02-02 | 2013-08-19 | Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd | Apparatus for cleaning liquid metal |
CN113314247A (en) * | 2021-05-26 | 2021-08-27 | 中国原子能科学研究院 | Purification device and purification method for lead-bismuth cooling reactor |
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2008
- 2008-07-08 JP JP2008178119A patent/JP2010019592A/en active Pending
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