JP3726689B2

JP3726689B2 - 水素処理設備及び水素処理方法

Info

Publication number: JP3726689B2
Application number: JP2001049562A
Authority: JP
Inventors: 英年唐澤; 省三山成
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2021-02-26
Also published as: JP2002250788A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガスを含む混合ガスから水素ガスを分離する処理を行う水素処理設備に関し、軽水炉型原子力発電所において、万一のシビアアクシデントを想定した時に、原子炉格納容器内に発生すると考えられる多量の水素の処理に用いて有効である。
【０００２】
【従来の技術】
軽水炉を原子炉として採用している軽水炉型原子力発電所において、万一、原子炉一次系配管等が破損した場合、原子炉を冷却するための冷却材は配管破断箇所から原子炉格納容器内に蒸気として放出され、原子炉圧力容器内の冷却材が減少する。
【０００３】
このような冷却材喪失事故（以下、ＬＯＣＡという。）においては、非常用炉心冷却系（以下、ＥＣＣＳという。）の自動起動により原子炉は冷却され、燃料破損には至らない。しかし、仮想的なＥＣＣＳの多重故障や全機能喪失まで考えると、燃料破損により燃料被覆管内の核分裂生成物が冷却材中に放出され、さらに、水蒸気と燃料被覆管のジルコニウム間の水−金属反応により、水素が多量に発生する。
【０００４】
このため、軽水炉型原子力発電所のうち、圧力抑制型格納容器を採用している沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲ）では、通常時の原子炉格納容器内雰囲気を窒素ガスで置換するとともに、可燃性ガス濃度制御系（以下、ＦＣＳという。）を設置している。ＦＣＳは、ブロアで格納容器内雰囲気を取り出し、電気ヒータで昇温させて水素と酸素とを再結合させて水にし、残りの気体とともにクーラーで冷却してから原子炉格納容器内に戻す加熱式再結合器である。
【０００５】
設計基準事故を越える仮想的なシビアアクシデント時に想定される水−金属反応による多量の水素の発生に対しては、原子炉格納容器内の雰囲気を窒素置換していることにより可燃領域に至ることはない。しかし、原子炉格納容器内の多量の水素は、事故収束の観点からは、原子炉格納容器内の水素を処理せざるを得ない。
【０００６】
設計基準事故を越えたシビアアクシデント時に想定される水−金属反応による多量の水素の発生に対しては、特開平４−３４３９５号公報には格納容器内に水素吸蔵合金を配置する例が開示され、特開２０００−７５０７９号公報には水素透過金属を用いて水素のみを格納容器内から除去する例が開示されている。
【０００７】
また、特開平７−２４４１９３号公報には、水素吸蔵合金の発熱により水素の触媒酸化反応を促進させる例が開示されている。熱の利用に関しては、特開平４−９３７００号公報に原子炉気体廃棄物処理装置に水素吸蔵合金を用い、水素吸蔵合金から放出された水素ガスを断熱膨張させて冷却に用いる例が示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
圧力抑制型原子炉格納容器を持つＢＷＲにおいて、上記従来の技術に示した水素吸蔵合金や水素透過金属を単独に用いる水素対策設備では、多量に発生する水素を処理するのに多量な物量が必要となり現実的でない。また、水素吸蔵合金と触媒との組み合わせは、仮想的なシビアアクシデント時に多量に水素のみが発生して原子炉格納容器内の圧力を上昇させる事象が発生した場合、酸素がないため触媒上で再結合ができずに水素の除去が困難となり、また、水素吸着金属が多量に必要となり現実的でない。また、断熱膨張による冷熱の利用は、格納容器などの閉空間では使いにくい。
【０００９】
従って、原子炉格納容器内雰囲気ガスから水素のみを効率よく原子炉格納容器外部に放出して、シビアアクシデント時の多量の水素発生による格納容器内圧力上昇を防止できる水素処理設備が望まれている。
【００１０】
本発明の目的は、水素ガスを含む混合ガスから水素ガスを選択的に分離する処理を効率良く行うことにある。他の目的は、原子炉格納容器内から水素を効率よく原子炉格納容器外部に取出して、シビアアクシデント時の多量の水素発生による格納容器内圧力上昇を効率良く防止することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、以下のようにして達成できる。即ち、仮想的なシビアアクシデント時に冷却水とジルコニウムの反応により、原子炉格納容器内で多量に水素が発生し、原子炉格納容器内の圧力の上昇を引き起こす。このため、水素ガスを吸蔵する物質（以下、水素吸蔵物質という。）と水素ガスを透過する材料（以下、水素透過材という。）とを組み合わせて用い、水素吸蔵物質の水素吸蔵時の発熱で水素透過材を加熱し、水素透過材の水素透過効率を増加することにより、水素ガスを効率良く原子炉格納容器内の水素を含む混合ガスから分離して原子炉格納容器の混合ガス中の水素ガス分圧を低下させ、内部の水素濃度を減少させることができる。
【００１２】
水素の透過量は水素透過金属の表面積に比例するので、限られた空間に設置する水素透過材の形状は管状が望ましい。また、水素透過材で作った管の表面にパラジウムをコーティングすることにより、長時間保存時の管表面の酸化や汚れを防ぎ、事故時に速やかに性能を発揮できる。また、混合ガス中に酸素が含まれる場合は、パラジウムの触媒作用により水素・酸素は再結合して水となり、水素濃度をさらに低減できる。
【００１３】
水素が多量に放出される状態での原子炉格納容器内の温度は、１００〜２００℃程度と評価されている。水素透過材の中で配管に加工しやすい材料は、タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），ジルコニウム（Ｚｒ），ニオブ（Ｎｂ），バナジウム−ニッケル（Ｖ−Ｎｉ）合金，パラジウム−銀（Ｐｄ−Ａｇ）合金などがあるが、上記雰囲気温度で水素脆化しにくいものはＰｄ−Ａｇ合金などである。
【００１４】
水素は水素透過金属表面で水素原子に解離し、水素原子が金属内を拡散していき、反対側の表面で水素原子が結合して水素として放出される。水素の表面吸着は速い過程なので、金属内での水素原子の拡散が律速となり、水素透過性能に温度依存性が現れる。水素透過率は、次式で示した水素透過流束（flux）の係数として定義される。
【００１５】
flux＝（Ｐ_out ^1/2−Ｐ_in ^1/2）(Ｐer）／δ （式１）
ここで、Ｐ：水素分圧，δ：透過厚さ（＝管肉厚），Ｐer：水素透過率。図２に、パラジウムコーティングしたＰｄ−Ａｇ合金に対する水素透過率の温度依存性を測定した結果を示す。水素透過率の対数は温度とともに増加し、温度が高いほど水素透過効率は増加する。パラジウムコーティング厚さは、通常１μｍ程度である。
【００１６】
水素吸蔵物質の一般的な特性を、図３に示す。水素分圧が増加すると水素吸蔵量が増加し、ある水素分圧で水素化物生成が起こるため水素分圧は一定となり、さらに水素分圧が増加すると水素吸蔵量は増加する。この水素化物生成時の水素分圧は、雰囲気温度増加とともに増加する。逆に水素分圧が低下すると、水素吸蔵物質内の水素は放出されやすくなるが、吸熱反応のため雰囲気温度を増加させないと水素は放出されない。例えば、カリウムをドープしたカーボンナノチューブは１００℃付近で水素化するが、吸蔵した水素は２００〜３００℃以上に昇温しないと放出されない。
【００１７】
いま、格納容器内の水素分圧が増加すると水素は吸蔵物質に吸収される。このとき、水素吸蔵物質の単位重量当たり約８０kcal／kgの発熱がある。同時に水素は水素透過材により格納容器外に排出される。そして、水素吸蔵物質の発熱により水素透過材の温度が上昇し、水素透過量は増加する。また、水素透過材も水素透過中には発熱するので、水素吸蔵物質からの熱の供給がなくなっても、一度上昇した水素透過材の温度はさめにくい。このようにして水素分圧が低下するが、水素吸蔵物質に吸収された水素は雰囲気温度が高温にならない限り放出されない。また、雰囲気温度が高温になって、水素吸蔵物質から水素が放出されても、高温では水素透過材により水素は格納容器外へ効率よく排出される。
【００１８】
仮想的なシビアアクシデント時の格納容器内は、水素・水蒸気・窒素・酸素の他にエアロゾルなどが存在する。このため、水素吸蔵物質を粒子状にして水素透過材の回りに設置することにより、水素吸蔵物質がエアロゾルに対するフィルターとして作用し、エアロゾルが水素透過材に付着するのを防止できる。
【００１９】
水素透過材の出口部に隔離弁を少なくとも２個以上設ける構成とする。これにより、弁の誤動作を防止できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的実施例を図１と図４を用いて以下に説明する。図１は軽水炉を原子炉としている沸騰水型原子力発電所の原子炉格納容器内部に水素処理設備を設置した第１実施例である。
【００２１】
図１に示した第１実施例において、原子炉格納容器１は原子炉圧力容器が設置されていて通常乾燥状態にあるドライウェル（以下、Ｄ／Ｗという。）２と圧力抑制プールを持つサプレッションチャンバー（以下、Ｓ／Ｃという。）３に分けられる。Ｄ／Ｗ２内には水素処理設備４が設置されている。
【００２２】
その水素処理設備４は、水素透過材５で作られた円筒管の復数本を束ねその上部又は両端部を接続した構成としている。また、粒子状の水素吸蔵物質６を水素透過材５の回りに充填し、全体をＳＵＳ製の網７で覆い、水素吸蔵物質６がこぼれない構造としている。水素処理設備４には水素透過材５で作られた円筒管に通じるパージガス吸込配管８と同じく水素排出配管９が接続している。パージガス吸込配管８には隔離弁１０，１１が、水素排出配管９には隔離弁１２，１３が設置されている。
【００２３】
シビアアクシデント時に発生すると想定される水素ガスを処理するため、一個又は複数個の水素処理設備４を原子炉格納容器１内に設置する。水素処理設備４を原子炉格納容器１の内部の各所に配置する場合には、原子炉格納容器１内の水素ガスを均一に処理することが可能となる。
【００２４】
シビアアクシデント時には、原子炉格納容器１内に発生した水素ガスは原子炉格納容器１内の既存のガスと混合して混合ガスとなる。原子炉格納容器１内に充満する混合ガスは、網７の網目を通過して水素吸蔵物質６や水素透過材５に接触し、混合ガス中の水素ガスの一部は水素吸蔵物質６に吸収され、一部は円筒管の水素透過材５の外側から内側に透過し水素処理設備４内部に集められる。水素吸蔵物質６は水素ガスを吸収する際に発熱して、その熱が水素透過材５に伝熱し水素透過材５の温度を上昇させ、水素透過材５の水素ガス透過効率を上げる。そのため、水素ガスが混合ガスから効率良く分離されて収集される。
【００２５】
パージガス吸込配管８を通って水素処理設備４内部に窒素ガスなどがパージされ、水素処理設備４内部に集められた水素ガスは水素排出配管９を通って原子炉格納容器１外部へと導かれる。水素処理設備４が原子炉格納容器１の内部に複数設置される場合には、それぞれの水素処理設備４に接続されている水素排出配管９を原子炉格納容器１の内部で一本に統合し一箇所の原子炉格納容器貫通部から原子炉格納容器１の外部へ水素ガスを排出するか、水素排出配管９を数箇所毎に原子炉格納容器内で統合し数箇所の貫通部から水素ガスを排出するか、又は、水素処理設備４から延びるそれぞれの水素排出配管９毎に貫通部を設け水素ガスを原子炉格納容器外部に排出する構成が可能である。
【００２６】
本実施例では、水素吸蔵物質６としてカリウムをドープしたカーボンナノ粒子を用い、水素透過材５としてＰｄ−Ａｇ合金を用いている。水素吸蔵物質６は焼結して直径約１mmの球状粒子とし、水素透過材５の回りに約１５０kg設置している。水素透過材５は直径約３mm，肉厚約０.５mm の管が約７５００ｍで、管内外に１μｍのＰｄメッキをしてある。水素処理設備４としては約１ｍφ×２.５ｍが３台となり、これによりシビアアクシデント時に発生する最大水素量を処理できる。
【００２７】
水の放射線分解により原子炉格納容器１内に水素ガスと酸素ガスが充満した場合、水素透過材のＰｄメッキ表面が水素ガスと酸素ガスとの結合を促進させる触媒の機能も有しているので、Ｄ／Ｗ２内で水素ガスと酸素ガスを結合させ、原子炉格納容器１内の水素ガス濃度を低減させ、水素ガスの急速な燃焼を発生させることなく事故を収束させることができる。
【００２８】
本発明の第２実施例を示している図４では、沸騰水型原子力発電所の原子炉格納容器１の外部に水素処理設備４を設置し、水素処理設備４により抽出した水素ガスを原子炉施設の外部に放出する構成とした原子炉格納容器１の一例を示している。
【００２９】
第２実施例では、原子炉格納容器１内で冷却水と燃料被覆管の水−金属反応で水素ガスが発生した場合あるいは水の放射線分解により水素ガスと酸素ガスが発生した場合、水素ガスなどを含む原子炉格納容器１内の雰囲気ガス、即ち混合ガスを送風機１４を用いて原子炉格納容器１の外部へ導き水素ガスのみを抽出する。水素処理設備４で水素ガスが分離捕集処理された原子炉格納容器１内の雰囲気ガスは水素ガスが処理前より少ない状態で送風機１４により吸気配管１５を通して水素処理設備４を囲む容器２５内へ導かれる。水素処理設備４の構成と作用は既述の第１実施例と同じである。
【００３０】
容器２５内の水素処理設備４では、一部の水素ガスは水素吸蔵物質６に吸収され、一部は円筒管の水素透過材５の外側から内側に水素ガスのみが透過する。水素処理設備４で吸収・透過されなかった残留ガスは排気配管１６を通って容器２５内からＳ／Ｃ３へ排出される。水素処理設備４の管状の水素透過材５内へはパージガスとして空気が空気フィルタ，パージガス吸込配管１７を通って流入し、水素透過材５を透過した水素ガスは水素排出配管１８を通って外部へと導かれる。
【００３１】
吸気配管１５及び排気配管１６には隔離弁１９，２０，２１，２２が設置され、それぞれの隔離弁間にフランジ２３，２４を設け、原子炉格納容器１内部と水素処理設備４とを連通したり切り放せる構造とし、複数の原子炉格納容器１に対して共通の水素処理設備４が利用できる構造とする。
【００３２】
このように、シビアアクシデント時に冷却水と燃料被覆管との水−金属反応により発生する多量の水素ガスを原子炉格納容器ベントを行うことなく効果的に除去でき、事故時に発生する放射性核分裂生成物を原子炉格納容器内に閉じ込めることができる。また、水素透過材５の温度が上昇して透過効率が向上し、水素吸蔵物質６と水素透過材５の物量を単独に用いる場合の１／６以下にでき実用的となる。さらに、水素透過材５を円管状とすることにより、限られた体積内で水素ガスを透過する面積を大きくでき、水素透過材５への伝熱も効率よく行え、水素透過材５の透過効率を向上できる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、水素ガスを含む混合ガスから水素ガスを選択収集する処理効率が高い方法とその方法を利用した水素処理設備を提供出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による水素処理設備と原子炉格納容器の一部分を表した縦断面図である。
【図２】水素透過材の水素透過率の温度依存性を示すグラフ図である。
【図３】水素吸蔵物質の水素分圧と水素吸蔵量との関係を示すグラフ図である。
【図４】本発明の第２実施例による水素処理設備と原子炉格納容器の一部分を表した縦断面図である。
【符号の説明】
１…原子炉格納容器、２…ドライウェル、３…サプレッションチャンバー、４…水素処理設備、５…水素透過材、６…水素吸蔵物質、７…網、８…パージガス吸込配管、９，１８…水素排出配管、１０，１１，１２，１３，１９，２０，
２１，２２…隔離弁、１４…送風機、１５…吸気配管、１６…排気配管、１７…パージガス吸込配管、２３，２４…フランジ。

Claims

水素ガスを含む混合ガスから水素ガスを透過する材料で水素ガスを分離処理する設備と、水素ガスを吸蔵する物質とを備えた水素処理設備において、前記水素ガスを透過する材料は複数の管に形成され、その管は外周囲に前記混合ガスが接触し内部が前記混合ガスから隔離されるように装備されており、その管の外周囲に、水素ガスを吸蔵する物質を粒子状にしたものを、前記水素ガスを吸蔵する物質の発熱による熱を前記管に伝達出来るように前記管の外周囲に接触させて配備したことを特徴とする水素処理設備。
請求項１において、水素ガスを透過する材料と水素ガスを吸蔵する物質とを網で包囲して組み合わせてあることを特徴とする水素処理設備。
請求項１又は請求項２において、水素ガスを透過する材料と水素ガスを吸蔵する物質とを原子炉格納容器内に配備し、前記水素ガスを透過する材料を透過してきた水素ガスを前記原子炉格納容器内から外へ出す水素排出配管を備え、前記水素排出配管に隔離弁を備えていることを特徴とする水素処理設備。
請求項１又は請求項２において、水素ガスを透過する材料と水素ガスを吸蔵する物質とを原子炉格納容器外に配備し、水素ガスを透過する材料と水素ガスを吸蔵する物質とに混合ガスを供給する給気配管を前記原子炉格納容器内と接続遮断自在に備えていることを特徴とする水素処理設備。
請求項３又は請求項４において、水素ガスを透過する材料はパラジウム−銀（Ｐｄ−
Ａｇ）合金であることを特徴とする水素処理設備。
請求項３又は請求項４において、水素ガスを透過する材料はパラジウムコーティングしたパラジウム−銀（Ｐｄ−Ａｇ）合金であることを特徴とする水素処理設備。
請求項３又は請求項４又は請求項５又は請求項６において、水素ガスを吸蔵する物質としてカーボンナノチューブが用いられていることを特徴とする水素処理設備。
水素ガスを含む混合ガスから水素ガスを透過する材料に前記水素を透過させて前記水素を分離する方法において、前記水素ガスを透過する材料の外周囲で水素ガスを吸蔵する物質に水素ガスを吸蔵させ、その吸蔵によって発生させた熱を前記水素ガスを透過する材料に伝熱させながら前記水素を混合ガスから分離する水素処理方法。