JP3628112B2 - 放射性気体廃棄物処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、原子力発電プラント等に設置される放射性気体廃棄物処理装置に係り、特に原子炉内で水の放射線分解等により生じた排ガス、例えば水素と酸素とを触媒反応によって再結合させることで排ガスを可燃性限界以下とする排ガス再結合器を改良した放射性気体廃棄物処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よく知られているように原子力発電プラント等では、主復水器等に流入する空気、原子炉内で水の放射性分解による水素や酸素、原子炉内にて放射化される核分裂生成ガス等が発生し、これらは排ガスとして放射性気体廃棄物処理装置によって処理される。
【０００３】
放射性気体廃棄物処理装置は図４に概略系統を示すように、図示しない主復水器から排ガスを抽出する蒸気式空気抽出器としてのガス抽出器１と、抽出した排ガスを予熱する排ガス予熱器２と、予熱した排ガスを触媒反応によって再結合させて可燃性限界以下の状態にまで処理する排ガス再結合器３と、排ガスを凝縮させる排ガス復水器４とを備え、これらの各機器が配管６、７、８によって接続されている。排ガス復水器４の下流側には、図示しないが排ガス予冷器、排ガス乾燥器、活性炭式希ガスホールドアップ塔、排ガス粒子フィルタおよび排ガス真空ポンプ設備等が順次設置され、最終的にスタック５に連結されている。なお、図４では各機器（排ガス予熱器２、排ガス再結合器３および排ガス再結合器４）が二系統設置された例を示しており、一系統は予備である。
【０００４】
排ガス予熱器２は、排ガス再結合器３の上流側に設置され、触媒反応度維持のため排ガスを過熱状態まで過熱する。排ガス再結合器３は、触媒反応熱による高温条件が要求される機器であり、万一の水素爆発による高圧条件が要求される機器でもある。排ガス復水器４は、排ガス抽出のため使用された水蒸気および再結合により生じた水蒸気を凝縮して復水とするものである。
【０００５】
このような放射性気体廃棄物処理装置において、排ガスはガス抽出器１で抽出された後、下流側の排ガス予熱器２、排ガス再結合器３および排ガス復水器４に順次に送られて処理され、放射能を許容限度以下に低減された後、スタック５から大気中に放出される。排ガス復水器４で凝縮された復水は、図示しない主復水器に戻される。
【０００６】
図５は、上述した放射性気体廃棄物処理装置の主要機器である排ガス再結合器３の従来の構造を示している。この図５に示すように、排ガス再結合器３は、高温高圧条件を満足する耐圧部材としての上部鏡板１０および下部鏡板１１と、これらの上部鏡板１０および下部鏡板１１を連結する胴板１２とによって構成された密閉式の容器３ａを有する。この容器３ａの上部には、触媒１３を充填するための触媒充填口１４が設けられ、内部には触媒１３を保持するための網台１５および触媒１３の下流側への流出を防止するスクリーン１６が設けられている。容器３ａの側部には排ガスを導入するための排ガス入口ノズル１７が設けられ、排ガス入口ノズル１７の内側には、排ガスを上向きに偏向させるための偏向板１８が設けられている。さらに、容器３ａの下部には処理済みの排ガスを排出する排ガス出口ノズル１９が設けられている。なお、機器の輸送、据付時に使用する吊り耳２０および、容器３ａ全体を支持するための脚２１が設けられている。
【０００７】
このような構成において排ガスは、排ガス入口ノズル１７より排ガス再結合器３内に流入し、偏向板１８で偏向された後、触媒１３内を通過する。この触媒通過の間に触媒反応によって排ガス中の水素と酸素が反応して水蒸気となり、これにより排ガスは可燃性限界以下となり、排ガス出口ノズル１９より流出する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、放射性気体廃棄物処理装置の排ガス再結合器３は高温高圧の容器であり、そのため強度上要求される必要板厚も必然的に厚くなる。また、従来の排ガス再結合器３では排ガス入口ノズル１７と排ガス出口ノズル１９とが直交して配置されているため、容器内において排ガスの偏流が生じやすく、充填触媒全体の有効活用が図れない可能性がある。また、各ノズル配置による容器３ａ内に余剰空間が生じ、さらに排ガス出口ノズル１９が機器下方に設置されているため容器全体を支持する脚２１の寸法が長尺になり、脚等を含めた剛性維持が必要となるという問題があった。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、排ガス再結合器の小型化および板厚の低減が図れるとともに、排ガス再結合器内での排ガスの流動を均一化して充填触媒の有効活用による性能向上が図れ、さらに排ガス再結合器の耐震性向上も図れる放射性気体廃棄物処理装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、原子力設備で発生した排ガスを抽出するガス抽出器と、抽出した排ガスを予熱する排ガス予熱器と、予熱した排ガスを触媒反応によって再結合させて可燃性限界以下の状態にまで処理する排ガス再結合器とを備えた放射性気体廃棄物処理装置であって、前記排ガス再結合器は、密閉型の容器に排ガス入口ノズル、触媒充填口および処理済みガス流出用の排ガス出口ノズルを設けたものにおいて、前記排ガス再結合器の容器を球状とし、かつ前記排ガス入口ノズルと前記排ガス出口ノズルとを前記容器内のほぼ中心を通る直線上で対向する配置としたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１記載の放射性気体廃棄物処理装置において、排ガス再結合器の容器上部に、排ガス入口ノズルと触媒充填口とを兼用する管台を設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項２記載の放射性気体廃棄物処理装置において、排ガス再結合器の排ガス入口ノズルから容器内に通じる排ガス流路に、触媒内での排ガスの拡散を行わせるほぼ半球形状の吊下型偏向板を上側に曲面を向けて配設したことを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項３記載の放射性気体廃棄物処理装置において、吊下型偏向板の全面に排ガスを通過させる多数の孔を穿設し、この孔の径は前記偏向板の中央部から端部へ向かうにつれて次第に拡大させたことを特徴とする。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項１から４までのいずれかに記載の放射性気体廃棄物処理装置において、排ガス再結合器の排ガス出口ノズルは、容器の内底部で開口するとともに前記容器の側部に亘って立上がる湾曲管により構成したことを特徴とする。
【００１５】
請求項６の発明は、請求項５記載の放射性気体廃棄物処理装置において、排ガス出口ノズルを構成する湾曲管の容器内での下端部を囲む配置で、触媒の保持と触媒の下流側での飛散防止を兼用するほぼ半球形のスクリーンを上側に曲面を向けて配設し、このスクリーンは触媒の自重に耐え得る強度を有するものとしたことを特徴とする。
【００１６】
請求項７の発明は、請求項６記載の放射性気体廃棄物処理装置において、半球形のスクリーンは、排ガスの流路を確保するべくパンチングメタルにより構成するとともに、熱応力緩和用として相対変位が可能な二重構造とし、かつ二重構造２の半球形スクリーンの一方は排ガス出口ノズルに固定し、他方は容器底部に固定したことを特徴とする。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項１から７までのいずれかに記載の放射性気体廃棄物処理装置において、排ガス再結合器の容器の側部に、輸送用の吊り耳と据え付け具とを兼用する円形孔付きの中間ラグを設けたことを特徴とする。
【００１８】
請求項９の発明は、請求項１から４までのいずれか、または請求項８に記載の放射性気体廃棄物処理装置において、排ガス再結合器の排ガス出口ノズルは、容器の内底部で開口するとともに前記容器の側方へ向かって横長に伸びる直管により構成したことを特徴とする。
【００１９】
請求項１０の発明は、請求項１から９までののいずれかに記載の放射性気体廃棄物処理装置において、排ガス再結合器内に充填する触媒量の決定に際しての空筒速度算出に用いる評価断面積Ａ（ｍ^２ ） は、触媒充填層高をＨ（ｍ）、球状の容器の内半径をＲ（ｍ）としたとき、各触媒充填層毎の断面積を平均化した下記の式
【数２】

にて算出される値に基づいて評価することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る放射性気体廃棄物処理装置の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、装置の全体構成は図４に示したものとほぼ同様であるから、説明を省略する。
【００２１】
［第１の実施形態］（図１）
図１は、本実施形態による放射性気体廃棄物処理装置の排ガス再結合器３の構成を示す断面図である。
【００２２】
この図１に示すように、排ガス再結合器３は、密閉型の球状の容器３ａに排ガス入口ノズル３１、触媒充填口３２および処理済みガス流出用の排ガス出口ノズル３３を設けた構成とされている。容器３ａは、耐圧部材としての半球状の２枚の鏡板を、底縁を傾けた状態で互いに接合し、溶接固定した構成とされている。容器３ａの上部には、排ガス入口ノズル３１と触媒充填口３２とを兼用する管台３ｂが設けられている。排ガス入口ノズル３１と排ガス出口ノズル３３とは、容器３ａ内のほぼ中心を通る直線上で対向する配置とされている。すなわち、容器３ａにはフランジ締結構造の排ガス入口ノズル３１を設け、配管３４とフランジ３５によって締結している。そして、この容器３ａに触媒３９を充填し、容器３ａへの排ガス入口部より排ガス出口部に至る容器３ａ内の流れが一次元的となるようにしてある。
【００２３】
また、排ガス再結合器３の排ガス入口ノズル３１から容器３ａ内に通じる排ガス流路、つまり排ガス入口ノズル３１と配管３４のフランジ３５締結部との間にリング状の偏向板支持板３６が挟持され、偏向板３８が偏向板支持ロッド３７を介して吊り下げられている。偏向板３８は、触媒３９内での排ガスの拡散を行わせるもので、ほぼ半球形状をなし、上側に曲面を向けた状態で懸架されている。この吊下型偏向板３８の全面に、排ガスを通過させる多数の孔４０が穿設され、この孔４０の径は偏向板３８の中央部から端部へ向かうにつれて次第に拡大されている。
【００２４】
排ガス出口ノズル３３は、容器３ａの内底部で開口するとともに、容器３ａの側部に亘って立上がる湾曲管３３ａにより構成されている。この湾曲管４１の容器３ａ内での下端部を囲む配置で、触媒３９の保持と触媒３９の下流側での飛散防止を兼用するほぼ半球形のスクリーン４１が上側に曲面を向けた状態で配設され、このスクリーン４１は触媒３９の自重に耐え得る強度を有するものとされている。半球形のスクリーン４１は、排ガスの流路を確保するべくパンチングメタルにより構成されるとともに、熱応力緩和用として相対変位が可能な二重構造とされ、かつ二重構造の半球形スクリーン４１のうち外側に配置する一方のスクリーン４１ａは排ガス出口ノズル３３に固定され、内側に配置する他方のスクリーン４１ｂは容器３ａ底部に固定されている。
【００２５】
容器３ａの側部には、輸送用の吊り耳と据え付け具とを兼用する複数の中間ラグ４２が周方向に等間隔で設けられ、この各中間ラグ４２には、それぞれ円形孔４３が穿設されている。
【００２６】
このような構成の排ガス再結合器３を有する本実施形態によれば、密閉型の容器３ａを半球形鏡板による全球形構造としたので、他の形状、例えば従来の円筒形などと比較して剛性が高い。即ち、板厚が同じであれば触媒充填容量を増加することができ、また触媒容量が同一であれば板厚を低減することができる。また、２枚の半球形の鏡板３０の溶接線４４と排ガス出口ノズル３３および中間ラグの取付けに当たっては、半球形鏡板３０の溶接線４４を傾けたことにより、互いに干渉を回避することができる。
【００２７】
そして、配管３４より装置上部の排ガス入口ノズル３１より排ガス出口ノズル３３に至る容器３ａ内の排ガスの流れは、排ガス入口ノズル３１および排ガス出口ノズル３３が直線上に配置されているため、偏流となることがなく、円滑な流れとなる。また、従来の排ガス再結合器の上部に設置していた触媒充填のための開口部（触媒充填口）に代えて、排ガス入口ノズル３１の配管３４をフランジ３５で締結した構造としたので、触媒充填時は、配管３４が取り外し可能であり、別途に触媒充填口を設ける必要なく、触媒３９の充填作業等が可能となる。
【００２８】
また、吊下型の偏向板３８の全面に径の異なる孔４０を穿設し、この孔４０は偏向板３８の中心部で小さく、外周に向かうにつれて径を増大させるようにしたことで、良好な拡散整流効果が得られる。また、偏向板３８は、排ガス入口ノズル３１とフランジ３５と配管３４のフランジ締結部との間に挟み込んだリング状の偏向板支持板３６により、偏向板支持ロッド３７を介して懸架されているため、これについても、触媒充填時等の分解が可能である。
【００２９】
しかも、排ガス出口ノズル３３については、触媒３９を保持し且つ下流への流出防止のため、２枚の半球形スクリーン４１ａ，４１ｂが、一方は排ガス出口ノズル３３に溶接にて固定され、他方は容器３ａの半球形鏡板３０の下側内面に溶接にて固定され二重化されているので、これにより、容器３ａと排ガス出口ノズル３３の熱変位を吸収でき、スクリーン部に過大な熱応力が発生することを防止できるようになる。
【００３０】
さらに、排ガス出口ノズル３３は、容器３ａ内部で湾曲して取出し方向が機器側面側に設けられている。これにより、従来容器下部に設置されていた排ガス出口ノズル３３を容器３ａの側面に設置できるため、支持構造としての脚部の短尺化が図れ、中間ラグ４２による支持構造が可能となる。また、容器３ａの外周には等間隔に機器支持用の中間ラグ４２を外周に均等間隔に配置し、これに機器輸送用として円形孔４３を穿設したことにより、吊り耳を別途設ける必要がない。
【００３１】
さらにまた、排ガスの流れの一次元的拡散整流効果により触媒反応の均一化が図れ、充填触媒３９の全体有効活用および容器３ａ内部の温度分布の均一化が図れさらに、排ガス出口ノズル３３の改善により支持構造の改善、即ち脚の短尺化または省略が図れ、耐震性が向上できるとともに、排ガス出口ノズル３３の設置方法の改善により触媒３９の下流への飛散防止の本質的改善が図れる。
【００３２】
また、本実施形態においては、排ガス再結合器３内に充填する触媒３９量の決定に際しての空筒速度算出に用いる評価断面積Ａ（ｍ^２ ） は、触媒３９充填層高をＨ（ｍ）、球状の容器３ａの内半径をＲ（ｍ）としたとき、各触媒３９充填層毎の断面積を平均化した下記の式
【数３】

にて算出される値に基づいて評価するようにしている。
【００３３】
このような評価構成によれば、機器基本設計の観点から、装置に充填する触媒量の決定に際し、空筒速度算出に用いる評価断面積を算出することにより、充填触媒容量を合理的に決定することができる。
【００３４】
［第２の実施形態］（図２）
図２は本実施形態による放射性気体廃棄物処理装置の排ガス再結合器３を示している。
【００３５】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、図１に示した排ガス再結合器３における中間ラグ支持構造に代えて、スカート５０による支持構造とした点である。他の構成については、第１実施形態のものと同様であるから、図２に図１と同一の符号を付して、説明を省略する。
【００３６】
このような構成の第２実施形態によれば、容器３ａをスカート５０によって支持する構造としたことで、中間ラグ構造と比較して、基礎関係の構造の簡素化が図れ、耐震評価を容易に行うことができる。
【００３７】
［第３の実施形態］（図３）
図３は本実施形態による放射性気体廃棄物処理装置の排ガス再結合器３を示している。
【００３８】
本実施形態が前記各実施形態と異なる点は、図１に示した排ガス再結合器３における配管３４との取合部を半球形鏡板３０に直接取付けた排ガス入口ノズル３１のフランジ部５９によって構成した点にある。
【００３９】
また、排ガス出口部については、図１における排ガス出口ノズル３３とスクリーンの機能を併有するように、構造を変化させたものである。即ち、本実施形態の排ガス出口ノズル６０は、容器３ａの内底部で開口するとともに容器３ａの側方へ向かって横長に伸びる直管６０ａにより構成されている。この直管６０ａの下面側にスクリーン６１が取付けられている。このスクリーン６１は下向きとして、直管６０ａの底部に配置したことで、触媒３９の荷重を受けずに済む構成としてある。他の構成については、第１実施形態のものと同様であるから、図２に図１と同一の符号を付して、説明を省略する。
【００４０】
このような構成の第３の実施形態によれば、排ガス出口ノズル６０の容器３ａ内での占有面積が縮小化され、容器３ａ内での排ガスの流れの均一化および触媒３９有効容積の確保が可能である。また、排ガスは、配管３４より排ガス再結合器３の装置上部に設けられた排ガス入口ノズル３１を経由して容器３ａ内に流入する。本実施形態の排ガス再結合器３においても、排ガス入口ノズル３１と排ガス出口ノズル６０が一次元的に配置されているため排ガス流の偏流が防止される。また、排ガス入口部に設置された吊下型偏向板３８により、排ガスは容器３ａ内へ均一に拡散され、さらに吊下型偏向板３８全面には中央部から端部へ向かうにつれて径を増加させた孔４０を全面に穿設し、これにより排ガス流は拡散整流され触媒３９の上面部にて均一な流量分布が得られるようになり、充填した触媒３９の有効且つ均一な反応度維持が可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
以上で詳述したように、本発明によれば、構造強度的観点からは、耐圧部を球形鏡板による全球形構造としたことにより、容器としての強度向上の効果が向上し、容器の必要板厚の低減により機器重量の低減が図れる。また、触媒の下流への飛散防止のためのスクリーンをパンチングメタル等で製作した半球形のものとし、かつ二重構造としたことで相対変位が可能となり、熱応力緩和が図れる。また、排ガス出口ノズルが機器側面に配置しているため、装置下部側の構造物の設置が不要となり、装置の支持構造の簡素化および耐震性の向上が図れる。また、排ガス出口ノズルを直管型とした場合にも、同様の効果が奏される。
【００４２】
また、再結合機能の観点からは、排ガス装置内に流入するための排ガス入口ノズルと触媒を充填するための充填口とを同一の管台で実現可能としたので、装置内の排ガスの均一な流路が確保でき、容器内の余剰空間を削減することより充填した触媒の有効利用が図れる。また、排ガス入口部に吊下型偏向板を設置し、かつ中央部から端部へ向かうにつれて径を徐々に増大させて全面に孔を穿設したことにより、触媒内での排ガスの均一な拡散を行わせることができる。
【００４３】
しかも、機器取扱の点からは、触媒充填口と排ガス入口部を機能的に同一管台で併用可能となり、また中間ラグに穿設した円形状の孔を装置の輸送、据え付けのための吊り耳として利用することで、装置に別途に吊り耳を設置する必要がない等の効果が奏される。。
【００４４】
さらに、機器基本設計の観点からは、装置に充填する触媒量の決定に際しての空筒速度算出に用いる評価断面積Ａ（ｍ^２ ）を、触媒充填高をＨ（ｍ）、球形の内半径をＲ（ｍ）としたとき、
【数４】

として算出することにより、充填触媒容量を合理的に決定できる効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る放射性気体廃棄物処理装置の排ガス再結合器の第１の実施形態を示す一部切断断面図。
【図２】本発明に係る放射性気体廃棄物処理装置の排ガス再結合器の第２の実施形態を示す一部切断断面図。
【図３】本発明に係る放射性気体廃棄物処理装置の排ガス再結合器の第３の実施形態を示す一部切断断面図。
【図４】放射性気体廃棄物処理装置における排ガス再結合器周辺の系統構成を示す系統図。
【図５】従来の放射性気体廃棄物処理装置の排ガス再結合器の構成を示す一部切断断面図。
【符号の説明】
１ 蒸気式空気抽出器
２ 排ガス予熱器
３ 排ガス再結合器
３ａ 容器
３ｂ 管台
４ 排ガス復水器
５ スタック
６，７，８ 配管
３１ 排ガス入口ノズル
３２ 触媒充填口
３３，６０ 排ガス出口ノズル
３４ 配管
３５ フランジ
３６ 偏向板支持リング
３７ 偏向板支持ロッド
３８ 吊下型偏向板
３９ 触媒
４０ 孔
４１ スクリーン
４２ 中間ラグ
５０ スカート

Claims (10)

1. 原子力設備で発生した排ガスを抽出するガス抽出器と、抽出した排ガスを予熱する排ガス予熱器と、予熱した排ガスを触媒反応によって再結合させて可燃性限界以下の状態にまで処理する排ガス再結合器とを備えた放射性気体廃棄物処理装置であって、前記排ガス再結合器は、密閉型の容器に排ガス入口ノズル、触媒充填口および処理済みガス流出用の排ガス出口ノズルを設けたものにおいて、前記排ガス再結合器の容器を球状とし、かつ前記排ガス入口ノズルと前記排ガス出口ノズルとを前記容器内のほぼ中心を通る直線上で対向する配置としたことを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
2. 請求項１記載の放射性気体廃棄物処理装置において、排ガス再結合器の容器上部に、排ガス入口ノズルと触媒充填口とを兼用する管台を設けたことを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
3. 請求項２記載の放射性気体廃棄物処理装置において、排ガス再結合器の排ガス入口ノズルから容器内に通じる排ガス流路に、触媒内での排ガスの拡散を行わせるほぼ半球形状の吊下型偏向板を上側に曲面を向けて配設したことを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
4. 請求項３記載の放射性気体廃棄物処理装置において、吊下型偏向板の全面に排ガスを通過させる多数の孔を穿設し、この孔の径は前記偏向板の中央部から端部へ向かうにつれて次第に拡大させたことを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
5. 請求項１から４までのいずれかに記載の放射性気体廃棄物処理装置において、排ガス再結合器の排ガス出口ノズルは、容器の内底部で開口するとともに前記容器の側部に亘って立上がる湾曲管により構成したことを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
6. 請求項５記載の放射性気体廃棄物処理装置において、排ガス出口ノズルを構成する湾曲管の容器内での下端部を囲む配置で、触媒の保持と触媒の下流側での飛散防止を兼用するほぼ半球形のスクリーンを上側に曲面を向けて配設し、このスクリーンは触媒の自重に耐え得る強度を有するものとしたことを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
7. 請求項６記載の放射性気体廃棄物処理装置において、半球形のスクリーンは、排ガスの流路を確保するべくパンチングメタルにより構成するとともに、熱応力緩和用として相対変位が可能な二重構造とし、かつ二重構造の半球形スクリーンの一方は排ガス出口ノズルに固定し、他方は容器底部に固定したことを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
8. 請求項１から７までのいずれかに記載の放射性気体廃棄物処理装置において、排ガス再結合器の容器の側部に、輸送用の吊り耳と据え付け具とを兼用する円形孔付きの中間ラグを設けたことを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
9. 請求項１から４までのいずれか、または請求項８に記載の放射性気体廃棄物処理装置において、排ガス再結合器の排ガス出口ノズルは、容器の内底部で開口するとともに前記容器の側方へ向かって横長に伸びる直管により構成したことを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。
10. 請求項１から９までののいずれかに記載の放射性気体廃棄物処理装置において、排ガス再結合器内に充填する触媒量の決定に際しての空筒速度算出に用いる評価断面積Ａ（ｍ^２ ） は、触媒充填層高をＨ（ｍ）、球状の容器の内半径をＲ（ｍ）としたとき、各触媒充填層毎の断面積を平均化した下記の式
    

    

    にて算出される値に基づいて評価することを特徴とする放射性気体廃棄物処理装置。

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