JP2018532102A - 内部冷却されるイオン交換カラム - Google Patents

Abstract

イオン交換システムは、イオン交換体で充填されたイオン交換カラム及び受動冷却システムを備える。受動冷却システムは、イオン交換カラムから熱を運び去る作動流体を含む。一実施形態において、作動流体は、閉鎖システム内に充填されている。他の実施形態において、受動冷却システムは、ヒートパイプを含む。更に他の実施形態において、イオン交換システムは、廃液流からセシウム137等の放射性核種を分離するために使用される。【選択図】図１

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、2015年8月13日付の米国特許仮出願第62/204,793号（発明の名称「放射性核種を液体から除去するために使用されるイオン交換カラムにおける熱を受動的に取り除くシステム及び方法」）に基づき、2015年10月5日付の米国特許出願第14/875,485号（発明の名称「受動冷却されるイオン交換カラム」）の優先権を主張するものであり、その開示内容の全体が参照により本願明細書に組み込まれるものとする。疑義が生じた場合、本願明細書に記載されている対象の範囲は、参照により組み込まれた他の任意の対象の範囲に優先するものであり、参照により組み込まれた対象によって制約又は限定されることはない。

本発明は、受動冷却されるイオン交換カラムに関する。

放射性廃棄物は、原子炉の運転、使用済み燃料の処理、粒子加速器の運転等で生じる。このような放射性廃棄物の一部は、放射性汚染物質を含む液体流として生じる。この廃液は、固化、放射性核種除去、及び／又は、他の方法で処理し、安全に処分可能としなければならない。

イオン交換は、相当量の放射性核種を含む液体放射性廃棄物を処理するために利用される一般的な方法である。イオン交換工程は、イオン交換体が充填されたイオン交換カラムを通過するよう廃液流を移動させる工程を含む。イオン交換工程において、液体中の放射性核種は、イオン交換体に吸着されることにより、液体の残部から分離される。

イオン交換工程の進行に伴い、イオン交換体が吸着する放射性核種の量は増加していく。イオン交換体内における放射性核種の蓄積は重大な問題であり、イオン交換カラム周りに危険な放射線場を発生させる恐れがある。状況により、イオン交換カラムは、放射線レベルを低下させて作業者を保護するよう、放射線遮蔽材に封入又は包囲される。

放射性核種による高放射線場は、イオン交換体内で熱を発生させる。イオン交換工程時、熱は、廃液流により、イオン交換カラムから運び去られる。しかしながら、イオン交換工程においては、カラムを通過する流れを停止させることがある。更に、イオン交換体は、最終的にその容量限界近辺に達するためカラムの使用を止める必要がある。何れの場合も、廃液流によりカラムが冷却されなくなる。

放射性核種が発生させる熱は、カラム内の水を沸騰させ、イオン交換体を劣化させ、及び／又は、他の悪影響及び安全上の懸念が生じる程度まで温度を上昇させる可能性がある。自然対流により、イオン交換カラムから熱を運び去るのは効果的とは言えない。これは、イオン交換体の熱伝導率が小さく、及び／又は、カラムを包囲する放射性遮蔽材が存在するからである。これら問題点により、処理施設においては、イオン交換体の容量限界を超えないようにし、カラムの寸法を制限し、及び／又は、安全性を保証する高価な能動冷却システムが導入されるようになった。

放射性崩壊に起因してイオン交換カラム内で発生する高温に対して、処理施設で講じられている最も一般的な方法は以下の通りである。即ち、（１）安全性を保証する能動冷却システムにカラムを接続する；（２）パージシステムにカラムを接続し、液体が全て沸騰してカラムからパージされるまで発熱させる；（３）カラムの直径を制限することにより、カラムにおける表面積対容積比を増加させ、これによりピーク温度を低下させる；及び／又は、（４）イオン交換体内に吸着される放射性核種の量を制限することにより、交換体内の発熱速度を制御する。

これら方法には多くの欠点がある。方法１及び２では、継続的に作動可能なバックアップ電源を備える冗長システムが必要とされるため、設置及び保守のコストが極めて大きい。方法２では、イオン交換体内、カラム内、及び／又は、放射線遮蔽材内でピーク温度が発生するため、危険であるのみならず、装置の構成に関して付加的な制約が課される。方法３では、イオン交換カラムの容量が制限される。なぜなら、イオンカラムの直径は、イオンカラムを通過する流量に比例するからである。方法４では、使用するイオン交換体の量が増加するのみならず、イオン交換体の取り換え頻度も増加する。

イオン交換システムは、イオン交換体で充填されたイオン交換カラム及び受動冷却システムを備える。イオン交換システムは、廃液流から汚染物質を処理するか又は分離するために使用することができる。イオン交換システムは、放射性廃棄物流から１種以上の放射性核種を分離するのに特に有用である。

受動冷却システムは、イオン交換カラムから周囲環境に対して熱を受動的に伝達する。この場合、「受動的」と称されるのは、受動冷却システムが自然に基づくプロセス及び技術を利用することにより、エネルギーを供給することなく熱拡散を可能としているからである。受動冷却システムは、その構造及び構造の構成要素を、自然環境において利用可能なエネルギーと組み合わせることにより熱拡散を可能とする。即ち、受動冷却システムは、電気、燃焼等の外部エネルギーを使用し、ポンプ、ファン等の機械設備を作動させることで放熱をすることはない。

受動冷却されるイオン交換体には、多数の利点がある。即ち、これら利点は、イオン交換カラムの大径化、イオン交換体を放射性核種で完全に充填可能、更には高価で安全性の高い冷却システムを設置することなく安全要件を満たすことができる。これら利点により、システムが簡略化され、大幅なコスト削減がもたらされる。

受動冷却システムは、様々な構成を有することができる。一実施形態において、受動冷却システムは、イオン交換カラムと熱連通する１本以上のヒートパイプを含む。この場合、ヒートパイプは、少なくとも実質的に垂直に配向することが可能であり、第１端部は、イオン交換カラムの内側又はイオン交換カラムに隣接して配置され、第２端部は、カラムの外方に向けてカラム上部を貫通するよう延在している。一実施形態において、ヒートパイプは、サーモサイフォンとして構成される。

イオン交換システムは、イオン交換カラムを包囲する放射線遮蔽材を含むことができる。この場合、ヒートパイプは、放射線遮蔽材を貫通するよう延在することにより、熱をイオン交換カラムから周囲環境に放出する。一実施形態において、ヒートパイプは、周囲環境への熱伝達を高める自然対流ラジエータを含む。

一実施形態において、イオン交換システムは、液体放射性廃棄物流からセシウム137等の放射性核種を分離するのに使用される。受動冷却システムにより、カラムを通過する液体流が停止した場合又はイオン交換体が汚染物質で完全に充填された後にカラムの使用を止めた場合に、イオン交換体及び／又はイオン交換カラムの過熱が回避される。

発明の概要においては、以下の詳細な説明で詳述する幾つかの概念が簡略的に記載されている。発明の概要及び背景技術は、本発明の重要な概念又は態様を明らかにすることを目的とするものではなく、特許請求の範囲を制限又は限定するものでもない。特許請求の範囲は、例えば、発明の概要に記載した何れかの，又は全ての態様が含まれるか否か、或いは、背景技術において言及した何らかの問題点に対処するものであるか否かに基づいて限定されるべきでない。

好適な実施形態は、添付図面に基づいて説明する。

放射性核種を含むイオン交換カラムから受動的に除熱するためのシステムの実施形態を示す説明図である。

図１は、イオン交換カラム12及び受動冷却システム16を備えるイオン交換システム10を示す。イオン交換カラム12は、ハウジング13及びその内部に配置されたイオン交換体14を含む。イオン交換システム10は、任意の廃液流から汚染物質を除去又は分離するために使用できるが、特に、液体放射性廃棄物流から放射性核種を除去するのに有用である。

イオン交換システム10は、周囲環境に熱を受動的に放出することにより、イオン交換体14に吸着された放射性核種が放射性崩壊に起因して上昇させる温度を制限するよう構成されている。これにより、イオン交換カラム12の安全性及び経済性を実現することが可能となる。

一般的に、イオン交換システム10は、電解液（廃液流）及びイオン含有媒体（イオン交換体14）間における交換を容易にする。廃液がイオン交換体14上を流れると、液体中のイオンが交換体14内のイオンと交換される。一般的なイオン交換システムの例としては、水軟化剤を挙げることができる。この場合、水中のカルシウムイオンが交換体内のナトリウムイオンと交換される。

イオン交換システム10は、廃液流における多数の汚染物質のうち、任意のものを除去することができる。一実施形態において、イオン交換システム10は、放射性核種、例えばセシウム137を廃液流から除去することができる。イオン交換システム10により、他の放射性核種も同様に除去可能である。

イオン交換カラム12は、流動する廃液の圧力及びイオン交換体14を収容するよう構成された容器である。イオン交換カラム12は、配管を介して廃液をカラム12内に流入させる１つ以上の入口と、処理済み廃液をカラム12から流出させる１つ以上の出口を含む。更に、イオン交換カラム12は、イオン交換体14上で廃液が均一に分布するよう流動させると共に、交換体を通過後の処理済み廃液を均一に回収する１個以上の内部構成要素を含むこともできる。

イオン交換カラム12は、スクリーン、フィルタ及び／又は他の装置を入口及び出口に含むことにより、イオン交換体14が廃液で流されてカラム12から流出するのを回避することができる。イオン交換カラム12は、イオン交換体14をフラッシュ及び／又は除去するための他の接続部を含むこともできる。イオン交換カラム12には、その能力を監視及び／又は制御する他の多数の接続部を設けることもできる。

イオン交換カラム12は、適切な構成を有する任意のカラムとして構成することができる。一実施形態において、イオンカラム12は、液体放射性廃棄物流から放射性核種を除去するよう構成される。また、イオン交換カラム12は、任意の適切な材料で構成することもできる。一実施形態において、イオン交換カラム12は、金属、例えば炭素鋼、ステンレス鋼及び／又は炭素鋼、ステンレス鋼等を含有する様々な合金で構成される。

イオン交換体14は、任意の適切な材料とすることができる。一実施形態において、イオン交換体14は、固体のポリマー系イオン交換材料及び／又は鉱物系イオン交換材料を含む。適切なイオン交換体14には、例えば、樹脂（官能性多孔質ポリマー又はゲルポリマー）、ゼオライト、モンモリロナイト、粘度、腐植土が含まれる。

一実施形態において、イオン交換体14には、正に帯電したイオン（陽イオン）を交換する陽イオン交換体が使用される。他の実施形態において、イオン交換体14には、負に帯電したイオン（陰イオン）を交換する負イオン交換体が使用される。更に他の実施形態において、イオン交換体14には、陽イオン及び陰イオンの両方を同時に交換する両性交換体が使用される。

一実施形態において、イオン交換システム10は、イオン交換カラム12を包囲又は取り囲む放射線遮蔽材18を備える。放射線遮蔽材18は、イオン交換カラム12から放出される放射線の強度を低減するために設けられる。放射線遮蔽材は、コンクリート、セメント、重金属等、任意の適切な材料とすることができる。他の実施形態において、イオン交換システム10は、放射線遮蔽材18を設けずに使用することができる。

図１に示すように、イオン交換カラム12及び放射線遮蔽材18は、その側面、底面及び上面の間にギャップ20が形成される寸法で構成されている。一実施形態において、ギャップ20には流体、例えば、空気や窒素等の気体が充填されている。

受動冷却システム16は、イオン交換カラム12及び／又はイオン交換体14が設定温度を超えることを回避する。一実施形態において、受動冷却システム16により、イオン交換カラム12及び／又はイオン交換体14が約100℃を超えることが回避される。他の実施形態において、受動冷却システム16により、イオン交換カラム12内での水の沸騰が回避される。

受動冷却システム16は、イオン交換カラム12内から周囲環境に熱を伝達するのに使用される１本以上のヒートパイプ22，24を含む。一実施形態において、ヒートパイプ22，24は、放射線遮蔽材18を貫通するよう延在することにより、放射線遮蔽材18を介して熱を周囲環境に伝達する。

ヒートパイプ22，24は、第１端部又は下端部26及び第２端部又は上端部28を含む。ヒートパイプ22，24は、複数の方法の何れかにより、イオン交換カラム12に結合させるか又接続することができる。

本明細書において、用語「結合」は、２個の部材が互いに直接的又は間接的に接合されることを意味する。この場合の接合では、複数個の部材は固定されていてもよいし移動可能であってもよい。また、この場合の接合では、２個の部材が、又は２個の部材及び任意の付加的な中間部材が単一体として互いに一体的であってもよいし、又は２個の部材か又は２個の部材及び任意の付加的な中間部材が互いに取り付けられていてもよい。更に、この場合の接合は、恒常的なものであってもよいし、又は代替的に取り外し可能又は解放可能であってもよい。

ヒートパイプ22の一実施形態において、第１端部26は、ハウジング13を貫通するよう延在し、イオン交換体14に接触する。ヒートパイプ22の第２端部28は、放射線遮蔽材18の上部から上方及び外方に向けて延在している。図示のヒートパイプ22は、イオン交換カラム12のほぼ中央部を貫通して延在しているが、ヒートパイプ22は、ハウジング13内の任意の位置に配置可能である。

ヒートパイプ24の一実施形態において、第１端部26は、ハウジング13外に接触し、第２端部28は、放射線遮蔽材18を貫通するよう上方に延在している。この実施形態において、ヒートパイプ24は、ハウジング13内には延在していない。この構成であれば、上述したヒートパイプ22の一実施形態よりも容易かつ安価に製造可能ではあろうが、ヒートパイプ22に比べて熱伝達効率が小さい場合がある。

ヒートパイプ22，24は、その第２端部28に結合された自然対流ラジエータ30を含むことができる。自然対流ラジエータ30により、ヒートパイプ22，24から周囲環境への熱伝達率を高めることができる。自然対流ラジエータ30は受動的に作動し、その作動のための付加的なエネルギーを必要としない。

受動冷却システム16は、ヒートパイプ22，24の一方又は両方を含むことができる。受動冷却システム16は、ヒートパイプ22，26とは異なる構成及び配向を有する他のヒートパイプを含むこともできる。

ヒートパイプ22，24は、任意の適切な構成とすることができる。例えば一実施形態において、ヒートパイプ22，24は、その長手方向が垂直に配向される。この配向においては、ヒートパイプ内における作動流体の移動は重力で助長される。この場合、熱せられた作動流体は、第１端部26から上昇し、第２端部28で冷却され、次いで重力により下方に返送される。垂直配向されたヒートパイプ22，24は、サーモサイフォンと称される場合がある。

他の実施形態において、ヒートパイプ22，24は、水平方向に配向することができる。この場合、作動流体は、ウィック構造を利用することで水平方向に移動可能である。即ち、作動流体は、毛管作用又は他の手段により、ウィック構造を通過するよう移動することができる。ヒートパイプ22，24は、0°（水平方向）〜90°（垂直方向）の角度範囲で配向してもよい。

ヒートパイプ22，24は、単相作動流体又は二相作動流体を使用するよう構成することができる。単相作動流体の場合、ヒートパイプ22，24内での移動に際して相が変化しない。二相作動流体の場合、ヒートパイプ22，24内での移動に際して相が変化する。一般的に、二相作動流体は、ヒートパイプ22，24の高温端部で蒸発し、冷温端部で凝縮する。二相作動流体を使用するヒートパイプ22，24は、単相システムに比べて熱伝達率が大きいためより好適である。

一実施形態において、ヒートパイプ22，24は、密閉された細長チャンバを含み、その内部にウィックが形成され、少量の作動流体又は熱伝達流体が充填され、更には真空が生成される。ヒートパイプ22，24の第１端部26は、ハウジング13内又はその外表面に位置し、蒸発端部26と称することができる。熱が放出されるヒートパイプ22，24の第２端部は、凝縮端部28と称することができる。

熱は、蒸発端部26でヒートパイプ22，24の壁を介してイオン交換体18から作動流体に伝達される。作動流体は熱を吸収し、液相から気相に変化する。浮力効果及び圧力差により、ヒートパイプ22，24内で蒸気が凝縮端部28まで上昇する。蒸気は、凝縮端部28で気相から再び液相に変化すると共に、熱エネルギーを放出する。熱は、ヒートパイプ22，24の壁を介して自然対流ラジエータ30の一部であるフィンに伝達された後、自然対流の過程で周囲環境に放出される。ヒートパイプ22，24内で凝縮された作動流体は、重力により及び／又はヒートパイプ内に形成された毛管作用により蒸発端部26に返送される。

ヒートパイプ22，24は、沸騰及び凝縮による極めて大きな熱伝達係数を有するため、非常に有効な熱伝導体である。有効熱伝導率は、ヒートパイプの長さに応じて異なり、長いヒートパイプであれば100 kW/（m・K）まで達するのに対して、銅であれば0.4 kW/（m・K）である。特許文献１（米国特許第3,229,759号明細書）は、ヒートパイプの一例を開示しており、その全体が本明細書に参照として組み込まれている。

ヒートパイプ22，24は、蒸発及び凝縮を利用してエネルギーを伝達する熱伝達装置の一つである。ヒートパイプには、定コンダクタンスヒートパイプ（CCHP）、蒸気チャンバ（フラットヒートパイプ）、可変コンダクタンスヒートパイプ（VCHP）、圧力制御型ヒートパイプ（PCHP）、ダイオードヒートパイプ、サーモサイフォン、並びに回転ヒートパイプの名称がある。

ヒートパイプ22，24は、イオン交換カラム12及びイオン交換体14から熱を除去可能とする任意の直径、長さ及び物理的構成とすることができる。ヒートパイプ22，24は、ステンレス鋼又はイオン交換カラム12内の液体及びイオン交換体14と適合する他の任意の材料で構成することができる。ヒートパイプ22，24内の作動流体は、水又はカラム温度を所望の範囲に維持する特性を有する他の液体とすることができる。ウィック構造は、焼結銅又は所望のヒートパイプ能力をもたらす他の任意の材料の組み合わせ及び構造で構成することができる。

幾つかの構成要素、特徴及び／又は構成は、１つの特定の実施形態に適用可能であるだけでなく、特に断りがない限り、又はこれら構成要素、特徴及び／又は構成が他の実施形態に技術的に適用不可能でない限り、他の多くの実施形態にも適用可能であることに留意されたい。即ち、これら構成要素、特徴及び／又は構成は、他の実施形態で互いに任意に組み合わせ可能であり、本明細書に開示されるものと見なされる。

特許請求の範囲における用語は、例えば、一般的な辞書及び／又は関連する技術事典に記載の通常の意味や、当業者が一般的に理解する意味で解釈すべきである。この場合、特許請求の範囲における用語には、これら情報源の何れか１つ又はその組み合わせによる意味が付与されるものとする（例えば、２つ以上の関連辞書を組み合わせて最も広義に解釈すべきである）。ただし、（ａ）ある用語が通常の意味よりも広義に使用される場合、又は（ｂ）ある用語が本明細書内で異なる意味で定義されている場合等には、この限りではない。

特定の例に関する言及、用語「即ち」及び「発明」の使用等は、上記の例外（ｂ）に該当することはなく、また特許請求の範囲を限定することもない。上記の例外（ｂ）に該当する場合を除き、本明細書の記載が特許請求の範囲を限定することはない。

特許請求の範囲における記載事項は、本明細書における特定の実施形態、特徴又は特徴の組み合わせにより限定されることはない。この点は、特定の特徴又は特徴の組み合わせに関して、本明細書に実施形態が１つしか記載されていない場合にも該当する。このように、特許請求の範囲は、使用されている用語及び従来技術に関して、最も広義に解釈されるべきである。

本明細書において、「左」、「右」、「前」、「後」等の空間又は方向を表す用語は、添付図面に示す発明に関連する。ただし、本発明においては代替的な配向が想定可能であるため、空間又は方向を表す用語は、限定的に解釈すべきではない。

「the」、「a」及び「an」等の冠詞は、単数又は複数を表すことができる。また、用語「or」が先行する「either」（又は「or」が排他的であることを明示する他の類似用語、例えば「x又はy」の一方のみを明示する用語）と共に使用されない場合、「or」は包括的に解釈されるべきである（例えば、「x又はy」はその一方又は両方を意味する）。

用語「及び／又は」も、包括的に解釈されるべきである（例えば、「x及び／又はy」は、x又はyの一方又は両方を意味する）。「及び／又は」或いは「又は」が３つ以上の事項の連結詞として使用される場合、これら３つ以上の事項のうち、その１つのみか、全ての事項か、又はそれら事項の任意の組み合わせ或いは数を含むと解釈されるべきである。更に、明細書及び特許請求の範囲に使用される用語「有する」又は「含む」は、用語「備える」と同義だと解釈されるべきである。

特に断りがない限り、（特許請求の範囲を除く）明細書における寸法、物理的特性等に関する数値又は表現は、全ての場合に誤差も含むものとする。明細書又は特許請求の範囲に記載された各数値パラメータは、特許請求の範囲及びその均等物を限定することなく、少なくとも有効数字及びその四捨五入したものが考慮されるべきである。

開示された全ての数値範囲は、任意の部分範囲か、又はその部分範囲に含まれる任意の個別値が記載された請求項の数値範囲を包含すると共に、その請求項をサポートするものと理解される。例えば、1〜10の範囲であれば、任意の部分範囲か又は最小値１〜最大値10の範囲及び／又は最小値１〜最大値10の個別値、即ち、最小値１以上かつ最大値10以下の部分範囲（例えば、5.5〜10、2.34〜3.56）又は1〜10までの任意の値（例えば、3、5.8、9.9994）が記載された請求項の数値範囲を包含すると共に、その請求項をサポートするものと理解される。

開示された全ての数値は、0〜100％の間で可変であり、従ってそのような数値による数値範囲が記載された請求項をサポートするものと理解される。例えば、記載された数値が８であれば、（この場合100％である）0〜16の間で可変であり、数値範囲自体（例えば0〜16）が記載された請求項、その数値範囲内の部分範囲（例えば2〜12.5）が記載された請求項、又はその数値範囲における任意の個別値（例えば15.2）が記載された請求項をサポートするものと理解される。

Claims (15)

1. イオン交換システムであって、
   ハウジング及びその内部に配置されたイオン交換体を含むイオン交換カラムと、
   前記イオン交換体から熱を運び去る作動流体を含む受動冷却システムと、を備え、
   前記受動冷却システムが、閉鎖システムとして構成されているイオン交換システム。
2. 請求項１に記載のイオン交換システムであって、前記イオン交換カラムが、放射線遮蔽材に包囲されているイオン交換システム。
3. 請求項１に記載のイオン交換システムであって、前記受動冷却システムが、前記作動流体から熱を伝達する能力を高める自然対流ラジエータを含むイオン交換システム。
4. 請求項１に記載のイオン交換システムであって、前記受動冷却システムが、前記作動流体を包囲するヒートパイプを含むイオン交換システム。
5. 請求項４に記載のイオン交換システムであって、前記ヒートパイプが、サーモサイフォンとして構成されているイオン交換システム。
6. 請求項４に記載のイオン交換システムであって、前記ヒートパイプが、少なくともほぼ垂直方向に配向されているイオン交換システム。
7. 請求項４に記載のイオン交換システムであって、前記ヒートパイプが、イオン交換カラムのハウジング内に位置する第１端部と、前記ハウジング外に位置する第２端部を含むイオン交換システム。
8. 請求項４に記載のイオン交換システムであって、前記ヒートパイプが、前記ハウジングの表面に接触する第１端部と、前記ハウジングに接触しない第２端部を含むイオン交換システム。
9. 請求項１に記載のイオン交換システムであって、前記受動冷却システムが、二相作動流体を含むイオン交換システム。
10. 請求項１に記載のイオン交換システムであって、前記受動冷却システムが、単相作動流体を含むイオン交換システム。
11. 請求項１に記載のイオン交換システムであって、前記イオン交換体が、１種以上の放射性核種で充填されるイオン交換システム。
12. 請求項１１に記載のイオン交換システムであって、前記１種以上の放射性核種が、セシウム137を含むイオン交換システム。
13. イオン交換カラムを使用し、放射性核種を廃液流から分離するステップと、
    閉鎖システム内における作動流体で前記イオン交換カラムを受動冷却するステップと、を含む方法。
14. 請求項１３に記載の方法であって、前記作動流体を含むヒートパイプで、前記イオン交換カラムを受動冷却するステップを含む方法。
15. 請求項１３に記載の方法であって、前記イオン交換カラム内への前記廃液流の流入を停止させ、前記廃液流から放射性核種が分離されなくなったときに、前記イオン交換カラムを受動冷却するステップを含む方法。

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