JP3766828B2 - ガラス溶融炉の底部電極 - Google Patents

Description

本発明は、高レベル放射性廃液をガラス固化する際に用いられるガラス溶融炉に係り、特にその炉底部に設けられる底部電極の構造に関するものである。

使用済み核燃料の再処理後に生ずる高レベル放射性廃液は、極めて高い放射線と崩壊熱を有しており、液体のままでは処分が困難であることから、図５及び図６に示すような構造をしたガラス溶融炉１に送られ、ここでほう珪酸ガラス等のガラス原料と共に高温で溶かし合わされながら、キャニスタｃと称されるステンレス製容器内に詰め込まれてガラス固化体として安定化された後、一定期間自然冷却されてから地中深く埋設処分することが計画されている。

ここでこのガラス溶融炉１は、図示するように耐火煉瓦製の炉本体２の内底部を漏斗状（四角錐状）に窄めると共にその最下端部に炉本体２内の溶融ガラスが流下する流下孔３を有する底部電極４を備え、さらにその内部に一対の主電極５，５とを備えた構造となっている。

そして、この炉本体２の天井壁に設けられた投入口７から高レベル放射性廃液とガラス原料を投入した後、先ず、主電極５，５間に電流を流すことでその表層部付近の廃液とガラス原料とを十分に溶かし合わせ、最後に底部電極４と主電極５，５間に電気を流して底部電極４上部のガラスを加熱した後、その流下孔３から延びる流下ノズル８を加熱してその内部に詰まっている固化ガラスを溶かして下方に抜き出すことで炉本体２内の溶融ガラスをその下部に位置しているキャニスタｃ内に流下させてその内部にガラス固化体として密閉収容するようになっている。

ところで、このガラス溶融炉１を構成する炉本体２の内壁はその性質上耐熱性に優れた耐火煉瓦で形成されているため、繰り返し加わる熱衝撃によってクラックが発生し、その一部が煉瓦屑として脱落することが考えられる。

そして、この煉瓦屑が細かいものであればそのまま溶融ガラスと共に流下孔３を通過して流下ノズル８からキャニスタｃ内に流れ込むため問題はないが、そのサイズが大きくなると、これが図８に示すように流下孔３の入口で留まり、この流下孔３を閉塞させてしまう。

そのため、図７に示すようにその流下孔３を有する底部電極４の頂面を平坦にしたり、さらにその流下孔３の入口部分を隆起させることで落下してきた煉瓦屑がそのまま流下孔３に達しないようにすることも考えられるが、このような構造では溶融過程において廃液中から析出したルテニウムやパラジウム等といった白金族元素からなる比重の大きい金属スラッジ（金属酸化物など）までもが炉外へ流れ難くなって図示するようにその底部電極４上に堆積・成長し、やがて主電極５まで到達して電流の短絡を招いてしまうといった不都合が考えられる。

そこで、本出願人は、煉瓦屑による閉塞を確実に防止すると共に、析出した金属スラッジ等をスムーズに流下させることができるガラス溶融炉の底部電極を提案した（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。

かかるガラス溶融炉の底部電極は、図９に示すように、流下孔３１を備えた電極本体３２の頂面に図示しない炉本体内の傾斜面と連続して流下孔３１方向に延びる傾斜面３３を有している。その傾斜面３３上には、炉本体から落下する煉瓦屑を受け止める煉瓦屑受け３４が、流下孔３１を覆うように設けられている。煉瓦屑受け３４は、これを中心に傾斜面３３に向かって水平方向に延びる支持部材３５によって、電極本体３２に取り付けられている。支持部材３５は、電極本体３２の傾斜面３３に溶接固定されている。

これによって、煉瓦屑受け３４で煉瓦屑を受けることで煉瓦屑が流下孔３１に流れるのを防いで、流下孔３１の閉塞を確実に防止できると共に、析出した金属スラッジ等を、隣接する支持部材３５間の隙間を通してスムーズに流下させることができる。

特開２００２−１４１９８号公報 池田、外４名「サイクル機構技報」、核燃料サイクル開発機構、２００２年３月２０日、第１４号、ｐ．２５−３８

しかしながら、上述のガラス溶融炉の底部電極では、煉瓦屑受け３４が支持部材３５を介して、電極本体３２に溶接固定されているため、主電極と底部電極間に電流を通電すると、溶接部分に電流が集中し、電極本体３２や支持部材３５の腐食速度が増加してしまうので、供給電流が制限されてしまい、溶融炉の運転開始からガラスの流下開始までに多くの時間を要するといった問題があった。

そこで、本発明は、上記課題を有効に解決するために案出されたものであり、供給電力が制限されることなく、ガラスの流下開始までの時間を短縮できるガラス溶融炉の底部電極を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、内底部が漏斗状に窄められた耐火煉瓦製の炉本体の底部に設けられ、その中央部に流下孔を備えたガラス溶融炉の底部電極において、上記流下孔を備えた電極本体の頂面に、上記炉本体内の傾斜面と連続して上記流下孔方向に延びる傾斜面を形成すると共に、その傾斜面上に上記炉本体から落下する煉瓦屑を受け止める煉瓦屑受けを上記電極本体と一体に形成したものである。

上記構成によれば、煉瓦屑受けと電極本体とを一体に形成したので溶接部分が無く、電流が集中することはないので、電極本体や支持部の腐食速度が増加せず、供給電流が制限されることはない。よって、ガラス溶融炉底部の昇温を早めることができ、ガラスの流下開始までの時間を短縮することができる。

そして、上記電極本体に、当該電極本体を冷却する冷却媒体が流れる冷却通路を形成したものが好ましい。

また、上記煉瓦屑受けは、上記流下孔上に位置する屑受け本体と、この屑受け本体を上記電極本体の傾斜面から十字状に支持する支持部とからなるものが好ましい。

さらに、上記煉瓦屑受けは、頂面が平坦な縦断面三角形の屑受け本体と、この屑受け本体と上記電極本体の各傾斜面との間にスリット状の流下溝を形成すべく上記屑受け本体をその傾斜面側から支持する支持部とからなるものが好ましい。

また、上記屑受け本体に、その頂面から下方の流下孔方向に延びる連通孔を設けたものが好ましい。

以上要するに本発明によれば、煉瓦屑受けと電極本体とを一体に形成したので溶接部分が発生せず、電流が集中することはないので、電極本体や支持部の腐食速度が増加せず、供給電流が制限されることはない。よって、大量の電流を通電することが可能となり、ガラス溶融炉底部の昇温を早めることができるので、流下開始までの時間を短縮することができるといった優れた効果を発揮する。

次に、本発明の好適一実施形態を添付図面を参照しながら説明する。

図１は本発明に係る底部電極４の実施の一形態を示す平面図、図２はそのＡ−Ａ線断面図である。

図示するように、この底部電極４は、内底部が漏斗状に窄められた耐火煉瓦製の炉本体２の底部に埋設するように設けられた電極本体１０と、この電極本体１０上に設けられた煉瓦屑受け１１とから構成されている。

この電極本体１０は、インコネル（登録商標）等の耐熱導電性金属をブロック（略立方体）状に形成したものであり、その中央部に流下孔３を有すると共に、その頂部（頂面）に炉本体２内の傾斜面と連続して流下孔３方向に延びる４つの傾斜面１３，１３，１３，１３が形成されている。

一方、煉瓦屑受け１１は、この電極本体１０の流下孔３上に位置する屑受け本体１２と、この屑受け本体１２からそれぞれ各傾斜面１３，１３，１３，１３方向に水平に延びるように設けられた十字状の支持脚（支持部）１４，１４，１４，１４とを備えたものである。煉瓦屑受け１１は、鋳造により電極本体１０に一体に形成されている。また、屑受け本体１２には、その頂面から下方の流下孔３方向に延びる連通孔１５が設けられている。連通孔１５は、上記電極本体１０中央部の流下孔３と同軸上に配置されている。

屑受け本体１２と電極本体１０の傾斜面１３，１３，１３，１３との間の隙間は、流下孔３の径よりも狭くなるように形成されている。

電極本体１０内には、リング状の冷却通路１６が形成されており、冷却空気配管１７から送り込まれる冷却媒体たる冷却空気を流して電極本体１０を冷却するようになっている。尚、図中２１は、電極本体１０の温度を計測するための熱電対（図示せず）を取り付けるための取付孔である。

上記構成による底部電極４にあっては、電極本体１０の頂面がその中央の流下孔３方向に傾斜していることから、溶融ガラスは勿論、溶融過程で析出した比重の大きい金属スラッジ等がそのまま傾斜面１３，１３，１３，１３に沿って流下孔３方向に向かってスムーズに流れ落ちることになる。従って、これが底部電極４上に堆積・成長して電流の短絡を招く等といった不都合を確実に回避することができる。

また、この底部電極本体１０上に十字状の煉瓦屑受け１１を設けたことから、溶融過程において発生した大きな煉瓦屑が脱落した場合でも、その煉瓦屑のみがその煉瓦屑受け１１に受け止められて流下孔３に達するおそれがなくなるため、煉瓦屑による流下孔３の閉塞といった不都合を確実に回避することができる。尚、この煉瓦屑受け１１の中央部に連通孔１５を形成したため、仮に煉瓦屑受け１１に多くの煉瓦屑が溜まった場合でもこの連通孔１５が塞がれない限り、十分な流下量を確保することが可能となる。

本実施の形態では、屑受け本体１２及び各支持脚１４，１４，１４，１４からなる煉瓦屑受け１１は、鋳造により電極本体１０に一体に形成されているので、これらを接合するための溶接部分が無くなり、電流が集中することはなく、通電可能な断面積を広く確保できる。従って、従来のように溶接部への電流集中による電極本体や支持部の腐食が起こらず、さらに供給電流が制限されることはない。よって、大量の電流を通電させることができ、ガラス溶融炉底部の昇温を早めることができるので、ガラス溶融炉の加熱を開始してからガラスの流下開始までの時間を短縮することができ、効率的な溶融が可能となる。

ところで、ガラス溶融炉は、一定時間（例えば３時間）運転した後に、運転を停止（例えば５時間）し、この停止時間にキャニスタの交換等を行うようになっている。

ガラス溶融炉の運転中、白金族元素は、比重が大きいため、ガラスよりも速く流下し、金属スラッジとして傾斜面１３，１３，１３，１３の底部に沈降していく。また、溶融炉の運転停止時間内でも、溶融炉内のガラスが高温であるうちは、ガラスの粘度が低く、金属スラッジが傾斜面１３，１３，１３，１３の底部に沈降していく。これによって、底部近傍でのガラス内の金属スラッジの濃度が高くなり、金属スラッジが流下孔３内に溜まって、流下孔３を閉塞してしまう虞がある。

しかし、本実施の形態によれば、電極本体１０に冷却通路１６を形成しており、ガラス溶融炉の運転停止時に冷却通路に冷却空気を流して電極本体１０を冷却することによって、溶融炉底部の電極本体１０近傍のガラスを強制的に冷却し、ガラスの粘度を高くすることで、傾斜面１３，１３，１３，１３底部への金属スラッジの沈降量を低減させることができる。これによって、傾斜面１３，１３，１３，１３の底部近傍での金属スラッジの濃度上昇を防止でき、流下孔３内に金属スラッジが溜まって、流下孔３が閉塞されるのを防止できる。

次に、図３及び図４は本発明に係る底部電極４の他の実施の形態を示したものである。

図示するように、本実施の形態にあっては、上記実施の形態と同様な構成をした電極本体１０上に設けられる煉瓦屑受け１１を、頂面が平坦な縦断面三角形の屑受け本体１８と、この屑受け本体１８をその電極本体１０の傾斜面１３，１３，１３，１３から支持する支持部１９，１９，１９，１９とから構成し、この電極本体１０と煉瓦屑受け１１の間に矩形状に延びるスリット状の流下溝２０を形成したものである。

煉瓦屑受け１１の頂面は、煉瓦屑受け１１の中央に形成された連通孔１５の上端に向かって上るように若干傾斜（例えば５°の傾斜角度）して形成されている。

流下溝２０の厚さ及び連通孔１５の径は、流下孔３の径よりも若干小さくなるように形成されている。例えば、流下孔３の径が２９ｍｍである場合は、流下溝２０の厚さが１５ｍｍで、連通孔１５の径が２７ｍｍに形成されている。また、流下溝２０の厚さを、流下孔３の径と同等にすると、流下溝２０の下端同士でブリッジが形成され、流下孔３を塞いでしまい、流下性が低下するためである。

支持部１９，１９，１９，１９の外側端面２２は、断面円弧状に形成されており、支持部１９，１９，１９，１９への電流の集中を防止している。

上記構成によれば、上記実施の形態と同様に炉内で生成した溶融ガラスは勿論、金属スラッジ等もこの流下溝２０を介してスムーズに流下孔３に流下する。また、流下溝２０の厚さ及び連通孔１５の径を、流下孔３の径よりも小さくなるように形成しているので、大きな煉瓦屑はその流下溝２０或いは連通孔１５の入口で止まるようになるため、流下孔３に詰まる大きさの煉瓦屑は、流下孔３に達することはない。従って、煉瓦屑による流下孔３の閉塞を確実に回避することができる。

さらに、本実施の形態にあっては、先ず、その煉瓦屑受け１１を頂面を平坦化して若干傾斜させたことから、電流が煉瓦屑受け１１全体に均一に流れるようになり、底部電極４上部のガラス原料の加熱効率が向上し、また、上記実施の形態に比べて煉瓦屑受け１１下部のデッドスペースｓ（図２参照）が減少するため、ガラスの流下開始までの時間を大幅に短縮することが可能となる。すなわち、炉内における電流の流れは主に主電極５と煉瓦屑受け１１との間となるため、煉瓦屑受け１１下部に大きなデッドスペースが生じていると、煉瓦屑受け１１下部の発熱が不足して流下開始まで長時間を要する場合があるが、本実施の形態のように屑受け本体１８を逆さ角錐状に形成することで、その下部のデッドスペースを小さくでき、その下部に固まっている溶融ガラスを効果的に加熱・溶融できるため、短時間で流下を開始することが可能となる。

加えて、この煉瓦屑受け１１と電極本体１０とをインコネル等の材料を用いて鋳造によって一体に成形すれば、電流集中による電極の腐食を回避でき、さらに加熱効率を向上させることが可能となる。

すなわち、この煉瓦屑受け１１を溶接によって電極本体１０に一体化すると、その溶接部に電流が集中し、溶接部の腐食が進行して電極の寿命が大幅に短くなってしまうことが考えられるが、このように煉瓦屑受け１１と電極本体１０とを鋳造による一体構造とし、溶接部を無くしたことにより、電流の集中による溶接部の腐食が確実に防止されるため、大量の電流を通電可能となり、迅速なガラス原料の加熱・溶融を達成できる。よって、ガラス溶融炉の運転開始からガラスの流下開始までの時間を大幅に短縮できる。

尚、このような構造をした底部電極４は、例えば煉瓦屑受け１１と電極本体１０を一体に鋳込み成形した後、切削機械等を用いてその頂部周辺部から流下孔３方向にスリット状の流下溝２０を切削加工することで比較的容易に作製可能である。

そして、本実施の形態にあっても、その屑受け本体１８の中央部にその下方の流下孔３方向に延びる連通孔１５が形成されているので、その流下溝２０に煉瓦屑が溜まって流下溝２０から流下量が減少した場合でもこの連通孔１５が塞がれない限り、十分な流下量を確保することが可能となる。

また、本実施の形態でも、電極本体１０に冷却通路１６を形成しているので、上記実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

本発明に係るガラス溶融炉の底部電極の実施の一形態を示す平面図である。 図１中Ａ−Ａ線断面図である。 本発明に係るガラス溶融炉の底部電極の他の実施の形態を示す平面図である。 図３中Ｂ−Ｂ線断面図である。 従来のガラス溶融炉の構造を示す全体図である。 図５中Ｘ−Ｘ線断面図である。 図５中Ｙ部を示す部分拡大図である。 従来の底部電極頂面に傾斜面を形成した状態を示す概念図である。 従来のガラス溶融炉の底部電極を示す断面図である。

符号の説明

２ 炉本体
３ 流下孔
４ 底部電極
10 電極本体
11 屑受け部材
12,18 屑受け本体
13 傾斜面
14,19 支持部
15 連通孔
16 冷却通路

Claims (5)

1. 内底部が漏斗状に窄められた耐火煉瓦製の炉本体の底部に設けられ、その中央部に流下孔を備えたガラス溶融炉の底部電極において、上記流下孔を備えた電極本体の頂面に、上記炉本体内の傾斜面と連続して上記流下孔方向に延びる傾斜面を形成すると共に、その傾斜面上に上記炉本体から落下する煉瓦屑を受け止める煉瓦屑受けを、鋳造により上記電極本体と一体に形成したことを特徴とするガラス溶融炉の底部電極。
2. 上記電極本体に、当該電極本体を冷却する冷却媒体が流れる冷却通路を形成した請求項１記載のガラス溶融炉の底部電極。
3. 上記煉瓦屑受けは、上記流下孔上に位置する屑受け本体と、この屑受け本体を上記電極本体の傾斜面から十字状に支持する支持部とからなる請求項１または２記載のガラス溶融炉の底部電極。
4. 上記煉瓦屑受けは、頂面が平坦な縦断面三角形の屑受け本体と、この屑受け本体と上記電極本体の各傾斜面との間にスリット状の流下溝を形成すべく上記屑受け本体をその傾斜面側から支持する支持部とからなる請求項１または２に記載のガラス溶融炉の底部電極。
5. 上記屑受け本体に、その頂面から下方の流下孔方向に延びる連通孔を設けた請求項３または４記載のガラス溶融炉の底部電極。
   

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