JP3855010B2 - 金属流体中の酸素濃度測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｐｂ−Ｂｉ等の重金属流体を冷却材として使用する高速増殖炉（ＦＢＲ）や中性子科学のターゲット材等において使用される酸素濃度測定装置に関し、特に、酸素導電体である固体電解質を使用した金属流体中の酸素濃度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｐｂ−Ｂｉ等の重金属流体を冷却材として使用する高速増殖炉（ＦＢＲ）や中性子科学のターゲット材においては、重金属流体中に含まれる酸素を検出し、その濃度を測定することにより、それらの装置に使用されている部材の腐食環境を把握し、腐食の発生を防止することが行われる。ここで、「中性子科学」とは、中性子を多く含む重金属流体に陽子を当てて中性子を発生させ、この中性子で分析や材料の核変換を行う科学である。この中性子科学において、陽子を当てる被照射物を「ターゲット材」と呼んでいる。
【０００３】
冷却材として溶融ナトリウムを使用する高速増殖炉（ＦＢＲ）において溶融ナトリウム中の酸素濃度を測定する場合、溶融ナトリウムの化学的活性度が高く、腐食性が強いので、その溶融ナトリウム中の酸素濃度の測定のためにイットリウム安定化ジルコニア等の固体電解質を使用することは出来ない。
【０００４】
これに対し、Ｐｂ−Ｂｉ等の重金属流体は、化学的活性度が低いため、その重金属流体の酸素濃度の測定のためにイットリウム安定化ジルコニア等の固体電解質を使用することが可能である。
これまでＰｂ−Ｂｉ等の重金属流体を用いた高速増殖炉（ＦＢＲ）を実用化したのはロシアだけである。また、中性子科学は将来の科学であるため、それに重金属流体のターゲット材を用いることも、基礎実験が始まったばかりである。
【０００５】
高速増殖炉（ＦＢＲ）等にＰｂ−Ｂｉ等の重金属流体を使用する場合でも、Ｐｂ−Ｂｉ流体中に含まれる酸素の濃度がＰｂ−Ｂｉ流体と接触するダクト等の部材の腐食に多大な影響を及ぼすことが明らかにされている。そのため前述した通り、Ｐｂ−Ｂｉ等の重金属流体中に含まれる酸素を検出し、その濃度を測定する必要がある。しかも、その測定は常時連続的に行うことが好ましい。
【０００６】
このようにしてＰｂ−Ｂｉ等の重金属流体中に含まれる酸素を連続的に検出し、その濃度を測定するには、酸素導電体であるイットリウム安定化ジルコニア等のセラミック系固体電解質を用いた酸素濃度測定手段が有効である。この酸素濃度測定手段は、両面に電極を設けた固体電解質を使用し、その固体電解質の酸素の電解作用により生じる起電力で酸素の濃度を測定するものである。
【０００７】
具体的には、固体電解質の金属流体と接触させる側の電極と反対側の電極側を、既知濃度の酸素を含むガス、いわゆる基準ガス雰囲気とする。この既知濃度の基準ガス雰囲気側に置かれる固体電解質の電極は「基準電極」と呼ばれる。この基準電極と金属流体側との間で固体電解質に生じる起電力を測定することで、ネルンストの式から金属流体に含まれる酸素濃度が測定される。
【０００８】
但し、固体電解質の酸素イオンの輸率が温度によって変わったり、固体電解質の材質的な不均質から生じる起電力も違うことがあるため、測定値を予め校正しておく必要はある。
このようなセラミック系の固体電解質を使用した酸素濃度測定装置は、原理が簡単なだけに、誤差の評価もしやすく、構造も簡単であるとい利点を有する。
【０００９】
従来の酸素濃度測定装置において、固体電解質を直接配管系に取り付けることは少なく、普通には固体電解質が試験管のような有底の管状に形成され、金属流体の熱膨張を吸収する膨張タンクからフランジを介して配管に向けて吊り下げられるようにして取り付けられる。これは、有底の管状の固定電解質を膨張タンクから吊り下げて、その先端を金属流体に接触するようにすれば、万一固体電解質が破損しても、金属流体が漏れることを避けることが出来、安全性が高いためである。また、固体電解質の交換も比較的容易である。
【００１０】
また、膨張タンクを利用せずに、直接配管に枝管を取り付け、この枝管にフランジを取り付け、先端に固体電解質を取り付けて密閉した管をこのフランジに取り付けることにより、前記固体電解質を配管中に流れる金属流体に浸すものも提案されている。これを図４に示す。
【００１１】
図４に示すように、金属流体を流す配管１から上方に円筒状の測定室２を立ち上げ、この上端をフランジ３で閉じている。固体電解質６は、コバール等からなる円筒形の管５の先端を閉じるように取り付けられ、ガラスやセラミックで封着されている。この固体電解質６の内面には基準電極７が設けられている。前記管５がフランジ３を貫通するように同フランジ３から吊り下げられることにより、その先端に設けた固体電解質６が配管１の中の金属流体に浸漬される。この状態で、管５はフランジ３に溶接等の手段で封着される。さらに、固体電解質６の中の基準電極７と配管１の中の金属流体との間に電圧計８が接続される。この電圧計８の一方のリード線は、前記管５を通して固体電解質６の基準電極７に接続されている。また、電圧計８の他方のリード線は、フランジ３に設けたスエージロック１０を通して測定室２に導入され、その中で金属流体に浸漬し、電気的に接続されている。この場合、リード線とスエージロックとは互いに絶縁する必要があるため、リード線にはシース型無機絶縁ケーブルを使用する。
【００１２】
図５も同様の酸素濃度測定装置であり、固体電解質６の形状と取付構造が異なるだけである。
このような酸素濃度測定装置では、前記管５を通して固体電解質６の基準電極７側に既知濃度の酸素ガスを含む基準ガスを導入しながら、電圧計８で固体電解質６に生じる起電力を測定することにより、金属流体に含まれる酸素を検知し、その濃度を測定する。
【００１３】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、セラミック系の固体電解質は、セラミック特有の脆さから熱衝撃や機械的な衝撃に対して弱いという欠点がある。そのため、取付時の機械的衝撃や配管に金属流体を充填する時の熱衝撃により破損しやすい。特に、固定電解質が細長いと、曲げ応力が生じやすく、また僅かの衝撃でも破損しやすい。加えて、図２に示すような構造の場合に、固体電解質が長いと、金属流体に接触している部分とフランジの付け根までの温度差が大きくなるので、大きな熱応力が発生する。予熱不足で高温の金属流体を配管に充填すると、熱衝撃は過大となり、固体電解質がより破損しやすくなる。
【００１４】
本発明は、前記従来の酸素濃度測定装置における課題に鑑み、機械的衝撃や熱衝撃に強い固体電解質とし、その取付や交換も簡単で、メンテナンス性に優れ、さらに金属流体のシール性も良好な酸素濃度測定装置を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、前記の目的を達成するため、固体電解質１４を球形または楕円球形とし、これを配管１１の隔壁１２に連ねて形成した測定室１３の中に収納し、同固体電解質１４で測定室１３を金属流体ａが存在する側の部分と基準ガスが導入される基準ガス空間１９側とに密に仕切るようにし、固体電解質１４に設けた基準電極２２を基準ガス空間１９に満たした既知酸素濃度の基準ガスと接触させ、固体電解質１４の他面側を金属液体に接触させたものである。
【００１６】
すなわち、本発明による酸素濃度測定装置は、金属流体ａが存在する部分の隔壁１２に連ねて形成した測定室１３と、この測定室１３の中に収納され、金属流体ａが存在する側の部分と基準ガスが導入される基準ガス空間１９側とを密に仕切るよう設けた球形または楕円球形の固体電解質１４と、測定室１３の基準ガス空間１９に基準ガスを導入する配管系と、固体電解質１４の基準ガス空間１９側に面して形成された基準電極２２と前記金属流体ａ側との間に発生する起電力を測定する電圧計２８とを有する。
【００１７】
このような本発明による酸素濃度測定装置では、球形または楕円球形の固体電解質１４を使用しているため、機械的衝撃や熱衝撃を受けても、管状や板状の固体電解質に比べて応力集中が起こらない。そのため、固体電解質１４が機械的衝撃や熱衝撃に強く、破損しにくくなる。さらに、球形または楕円球形の固体電解質１４を使用したことにより、測定室１３の中に固体電解質１４を組み込んだ時のシール性も向上する。また、固体電解質１４をガラス封着等の手段によらず、ガスケット１７、１８により、測定室１３に気密にシールされた状態で取り付けることにより、固体電解質１４の交換も用意である。
【００１８】
前記電圧計２８は、金属流体ａが存在する部分の隔壁１２を介して金属流体ａに電気的に接続することが出来る。この場合に、金属流体ａが存在する部分の隔壁１２の金属流体ａと接する少なくとも一部の面に、金属流体ａとの濡れ性を向上させる金属コーティング２４を施すことにより、隔壁１２と金属流体ａとの接触抵抗を低減し、感度の向上、測定精度を向上することが出来る。さらに、固体電解質１４の金属流体ａと接する少なくとも一部の面に、金属流体ａとの濡れ性を向上させる金属コーティング２３を施すことにより、同様の作用を奏することが出来る。
なお、固体電解質１４は、基本的に球形または楕円球形であるが、基準ガス空間１９に面した側の一部に平面または凹面を有するものであってもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１は、本発明による酸素濃度測定装置の一実施形態を示す縦断側面図である。
【００２０】
図１に示した酸素濃度測定装置において、金属流体は配管１１を通して流れるが、金属流体は容器状のものに停滞した状態で収納されている場合もある。この配管１１は円筒状の隔壁１２を有し、その上面の一部から円筒状の縦の隔壁１５が起立している。この縦の隔壁１５の底部は開口しており、この開口部で前記配管１１の上部に連なっている。
【００２１】
この縦の隔壁１５の底部の開口部の径は、その上の隔壁の内径より狭くなっており、その部分に隔壁１５の内側に迫り出した座部３５が形成されている。この座部３５の周面には、ＩｒやＲｈ等の貴金属コーティング２４がメッキや焼き付け等の手段で形成されている。さらに、座部３５の内側の開口部には、メッシュ状のカバー３２が張られている。このカバー３２は、後述するセラミック系の固体電解質１４が破損した場合に、その破片が配管１１内の金属流体に混じるのを防止するためのものである。
【００２２】
前記座部３５の上には、その内側の開口部を囲むようにＯリング等のリング状のガスケット１７が載せられている。
さらに、この縦の隔壁１５の中に球形の固体電解質１４が嵌め込まれ、これが前記ガスケット１７の上に載せられている。この固体電解質１４は、イットリウム安定化ジルコニア等のセラミック系固体電解質材料からなり、球形に形成されたものである。その径は、縦の隔壁１２の内径より小さく、前記座部３５の内側の開口部の径より大きい。
【００２３】
この固体電解質１４の上面側には、Ｐｔペースト等の塗布とその焼き付け或いはＰｔメッキ等の手段により、Ｐｔ膜等からなる基準電極２２が形成されている。他方、固体電解質１４の下面側には、メッキや焼き付け等の手段により、ＩｒやＲｈ等の貴金属からなる金属コーティング２３が施されている。
【００２４】
前記固体電解質１４の上には、基準電極２２を囲むようにＯリング等のリング状のガスケット１８が載せられている。
前記の縦の隔壁１５の上端部の外周には雄のネジが切られている。この縦の隔壁１５の上端部にキャップ１６が嵌め込まれ、このキャップ１６の下端部の内周に切られた雌のネジが前記の縦の隔壁１５の上端部の雄のネジにねじ込まれている。このキャップ１６はその内側に円筒形のガスケット押え３６を有しており、このガスケット押え３６が前記固体電解質１４の上に載せられたガスケット１８を上から押えている。
【００２５】
前記の縦の隔壁１５とこれにねじ込まれたキャップ１６とにより、配管１１に連なる空間として測定室１３が形成されている。そしてこの測定室１３に嵌め込まれた球形の固体電解質１４、その上下に設けられたガスケット１７、１８及びそれらガスケット１７、１８を固体電解質１４に押圧する座部３５とガスケット押え３６とにより、配管１１の内部側と基準ガス空間１９側とが密に仕切られている。
【００２６】
前記基準ガス空間１９には、各々バルブ３３、３４を介して基準ガス供給管２０と基準ガス排気管２１とが接続されている。基準ガス供給管２０により、基準ガス空間１９内に基準ガスが供給され、基準ガス空間１９内の余剰のガスが基準ガス排気管２１から排気される。これにより、基準ガス空間１９内が基準ガス雰囲気に維持される。基準ガスとは、既知酸素濃度のガスである。固体電解質１４の上面に設けた基準電極２２はこの基準ガスと接触している。
【００２７】
前記固体電解質１４の上面に設けた基準電極２２と配管１１内を流れる金属流体との間に電圧計２８が接続されている。この電圧計２８により、基準ガスと金属流体との酸素濃度の差に起因して固体電解質１４内に発生する起電力が測定される。固体電解質１４の基準電極２２側は、スエージロック３０を通して基準ガス空間１９内に導入されたシース型無機絶縁ケーブル２６により電圧計２８が接続されている。また、配管１１の隔壁１２がシース型無機絶縁ケーブル２７を介して電圧計２８が接続されることにより、金属製である隔壁１２を介して金属流体が電圧計２８に接続される。
【００２８】
さらに、前記基準ガス空間１９には、スエージロック３１を通して金属液体漏洩検知用のシース型無機絶縁ケーブル２９が導入されている。この金属液体漏洩検知用のシース型無機絶縁ケーブル２９の他端は図示していないが、シース型無機絶縁ケーブル２７と同様に配管１１の隔壁１２に接続されている。従って、この金属液体漏洩検知用のシース型無機絶縁ケーブル２９が金属液体により短絡されたとき、基準ガス空間１９に金属液体が漏洩したことが検知される。
【００２９】
このような酸素濃度測定装置では、基準ガス空間１９内に満たした既知酸素濃度の基準ガスに基準電極２２を接触した状態で、電圧計により、基準電極２２と配管１１内の金属流体側との間で固体電解質１４に生じる起電力を測定する。これにより、配管１１内の金属流体に含まれる酸素濃度が測定される。
なお、図１に示した酸素濃度測定装置の一実施形態では、固体電解質１４として球形のものを使用したが、長軸と短軸の比が６０％程度以上のものであれば、固体電解質１４として楕円球形のものを使用してもよい。
【００３０】
図２と図３は、本発明による酸素濃度測定装置の他の実施形態を示すものである。これらの酸素濃度測定装置の基本的な構成は図１に示したものと同様であり、同じ部分は同じ符号で示してある。これらの酸素濃度測定装置では、球形または楕円球形の固体電解質１４の一部の形状を一部変更している。図２では、固体電解質１４の基準ガス空間１９に面した側、すなわち基準電極２２側に平面を形成しており、図２では、固体電解質１４の基準電極２２側に部分球面状の凹面を形成している。
【００３１】
これらの実施形態は、固体電解質４の基準ガス空間１９に面した側でガス流による熱衝撃が比較的小さい場合に、固体電解質４の金属流体側で発生する熱衝撃による熱応力の伝播で強度低下を来さない範囲で固体電解質４の形状を変更したものである。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明による酸素濃度測定装置では、固体電解質１４が機械的衝撃や熱衝撃に強く、破損しにくくなる。さらに、測定室１３の中に固体電解質１４を組み込んだ時のシール性も高い。これにより、信頼性の高い酸素濃度測定装置が得られる。また、固体電解質１４をガラス封着等の手段によらず、取り付けることにより、固体電解質１４の交換も用意となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による酸素濃度測定装置の一実施形態を示す概略縦断側面図である。
【図２】本発明による酸素濃度測定装置の他の実施形態を示す概略縦断側面図である。
【図３】本発明による酸素濃度測定装置の他の実施形態を示す概略縦断側面図である。
【図４】酸素濃度測定装置の従来例を示す概略縦断側面図である。
【図５】酸素濃度測定装置の他の従来例を示す概略縦断側面図である。

Claims (6)

1. 酸素導電体である固体電解質を使用した金属流体中の酸素濃度測定装置において、金属流体（ａ）が存在する部分の隔壁（１２）に連ねて形成した測定室（１３）と、この測定室（１３）の中に収納され、金属流体（ａ）が存在する側の部分と基準ガスが導入される基準ガス空間（１９）側とを密に仕切るよう設けた球形または楕円球形の固体電解質（１４）と、測定室（１３）の基準ガス空間（１９）に基準ガスを導入する配管系と、固体電解質（１４）の基準ガス空間（１９）側に面して形成された基準電極（２２）と前記金属流体（ａ）側との間に発生する起電力を測定する電圧計（２８）とを有し、前記金属流体（ａ）中の酸素濃度を測定することを特徴とする金属流体中の酸素濃度測定装置。
2. 電圧計（２８）は、金属流体（ａ）が存在する部分の隔壁（１２）を介して金属流体（ａ）に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の金属流体中の酸素濃度測定装置。
3. 金属流体（ａ）が存在する部分の隔壁（１２）の金属流体（ａ）と接する少なくとも一部の面に、金属流体（ａ）との濡れ性を向上させる金属コーティング（２４）を施したことを特徴とする請求項１または２に記載の金属流体中の酸素濃度測定装置。
4. 固体電解質（１４）の金属流体（ａ）と接する少なくとも一部の面に、金属流体（ａ）との濡れ性を向上させる金属コーティング（２３）を施したことを特徴とする請求項１または２に記載の金属流体中の酸素濃度測定装置。
5. 固体電解質（１４）は、ガスケット（１７）、（１８）により、測定室（１３）に気密にシールされた状態で取り付けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の金属流体中の酸素濃度測定装置。
6. 固体電解質（１４）は、基準ガス空間（１９）に面した側の一部に平面または凹面を有することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の金属流体中の酸素濃度測定装置。

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