JP4444052B2 - 脱塩装置 - Google Patents

Description

本発明は、原子力発電設備あるいは火力発電設備等の発電プラントに設置されている復水器からの復水を浄化するための復水浄化系における脱塩装置または各種プラントの脱塩処理に使用される脱塩装置に関する。

一般に、従来の原子力発電設備では、原子炉の信頼性の高い運転を行い、一次冷却材の水中に含まれる不純物を除去し、純度の高い給水に処理して原子炉内構造物の健全性を保つために、復水および給水の浄化が行われている。

従来の原子力発電設備の一般的な系統を図３を参照して説明する。図３において符号５１は原子炉であり、原子炉５１で発生した高温、高圧の蒸気は主蒸気管５２を介してタービン５３に送られ、そこでタービン軸を回転してこれに接続された発電機５４を駆動し、発電を行う。

このタービン５３で仕事を行った蒸気は主復水器５５で冷却され凝縮して復水となり、低圧復水ポンプ５６により空気抽出器５７、グランド蒸気復水器５８を経て脱塩装置５９へ送られる。

この脱塩装置５９内では、装荷されている例えばイオン交換樹脂などによって復水中の溶解性金属イオン、不溶解性不純物（クラッド）、海水リーク時の塩化物イオンなどの帯電性の不純物が除去され、復水は浄化される。

その後、復水は高圧復水ポンプ６０により低圧給水加熱器６１に送られ、さらに、給水ポンプ６２、高圧給水加熱器６３を経て昇温、昇圧され、給水管６４を介して原子炉５１へと還流される。

この様に構成された従来の原子力発電設備において用いられる脱塩装置としては、前記したイオン交換樹脂を用いるものの他に、水に電界を加えることにより、水に含まれる微細な粒子が一方の極へ移動する電気泳動作用を応用して帯電性の不純物を除去するようにした電気式の脱塩装置も考えられている(例えば特許文献１参照。)。
しかしながら、このような電気式の脱塩装置においては、不純物の効率的な除去を行おうとするには最適な電界分布を考慮する必要がある。

特に純度の高い水では、導電率が低くなるために、電界分布の変化が不純物の除去に大きく影響してくる。
このため、脱塩装置を構成する反応ユニット部材を絶縁性を有する塩化ビニールやテフロン(デュポン社商品名)などの有機材料により製作するようにしている。
特開２００３−１９０９６１号公報

しかしながら、脱塩装置を有機材料を用いて製作した場合、高温高圧水に対する耐熱性、耐圧性に劣るという課題がある。
例えば、塩化ビニールでは耐熱温度が１２０℃程度であるし、テフロンにおいては耐熱温度が２３０℃ではあるけれども、強度的には著しく劣っている。
このように、電気式の脱塩装置により高温高圧条件下の高純度の水を処理するためには、耐熱性、耐圧性および絶縁性という高い機能を備えた構造が求められている。

本発明は以上の課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で、高い耐熱性、耐圧性を備え、高温高圧条件下での高純度の水に対しても脱塩処理が可能な脱塩装置を得ることを目的とする。

以上の課題を解決するために本発明の脱塩装置は、金属製の耐熱耐圧容器と、前記耐熱耐圧容器内に絶縁物を介して互いに対向して配置固定され、一方が陽電極で他方が陰電極である一対の電極と、前記耐熱耐圧容器内に絶縁物を介して、前記対向配置された電極の対向軸を横切るように配置固定され、前記耐熱耐圧容器内に帯電性の不純物を含む被処理液の流路と、陰極液の流路と、陽極液の流路とを形成する少なくとも一対の隔膜と、から構成され、この隔膜の材料がステンレス鋼、チタン、ハステロイから選択された金属材料、またはセラミック材料の少なくともいずれか一つであることを特徴とする。

本発明の脱塩装置によれば、簡易な構成で、且つ高い耐熱性、耐圧性を備え、高温高圧条件下で高純度の水に対しても脱塩処理が可能となる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態による脱塩装置を示す縦断正面図で、図１において、符号１は金属でできた有底円筒状の下部耐熱耐圧容器（以下単に下部容器と称する）、符号２は同じく金属でできた耐熱耐圧容器の蓋で、前記下部容器１の一端開口縁に形成されたフランジ部３にパッキング４を介して複数箇所においてボルト５ａ、ナット５ｂにより水密に締結固定されている。

６はパッキング４の内側において、下部容器１と蓋２との間のスペースに挟み込まれた充填剤である。
下部容器１と蓋２との材質は、耐熱性および耐圧性、耐食性、加工性などが要求されることからステンレス鋼（以下ＳＵＳと呼ぶ。）、ハステロイ、チタン等の金属材料が適している。

価格の面や加工性の観点からはＳＵＳが望ましいが、特に耐食性などに関する要求が強い場合にはハステロイやチタン等などの材質も考えられる。
また、パッキン材４の材質には耐熱性、耐圧性、耐食性、シール性などが、充填材料６の材質には耐熱性、耐圧性、耐食性などが必要であり、前記下部容器１や蓋２と同様な金属材料を適当できるが、構造を簡素化する必要がある場合にはフッ化物系あるいは無機物系の材料も考えられ、これらの選定には強度を補強する構造や溶出物などを調べることが必要である。

７ａ、７ｂは下部容器１内に設けられた一対の電極で、互いに対向して配置固定され、一方を陰電極７ａ、他方を陽電極７ｂとしている。
電極７ａ、７ｂの材質には耐熱性、耐食性、不溶出性などが要求されるため、白金、ルテニウム、パラジウム、金、プラチナ等の白金族系の材料が望ましいが、これらは高価であるため、チタン等の基材に白金族系材料を被覆したものを適用してもよい。

前記電極７ａ、７ｂからは電極端子金具８ａ、８ｂが下部容器１の中間部外周に向けて臍状に突出形成された端子部９ａ、９ｂの穴１０ａ、１０ｂを通して外部に引き出されている。

端子部９ａ、９ｂの突出部の外周にはネジ１１ａ、１１ｂが形成され、このネジ１１ａ、１１ｂにキャップ状の締めボルト１２ａ、１２ｂがねじ込まれており、この締めボルト１２ａ、１２ｂの中心部に形成された孔１３ａ、１３ｂを電極端子金具８ａ、８ｂがパッキング１４ａ、１４ｂを介して貫通することにより水密に固定されている。

符号１５ａ、１５ｂはパッキング１４ａ、１４ｂの内側において、端子部９ａ、９ｂと電極端子金具８ａ、８ｂとの間に充填された充填材料で、下部容器１と電極端子金具８ａ、８ｂとを絶縁している。

前記パッキング１４ａ、１４ｂと充填材料１５ａ、１５ｂの材質は、耐熱性、耐圧性、耐食性、シール性、絶縁性などが要求されることから、高温水に対する耐熱性を有するフッ化物系あるいは無機物系の佐材料が適している。

符号１６ａ、１６ｂは前記下部容器１内で電極７ａ、７ｂの対向軸を縦に横切るように配置固定された少なくとも一対の隔膜で、この隔膜１６ａ、１６ｂによって下部容器１内に電極７ａ、７ｂの対向軸を縦に横切るような方向に延びる３つの流路Ａ（陰極液流路）、Ｂ（被処理液流路）、Ｃ（陽極液流路）が形成されている。

隔膜１６ａ、１６ｂの材質には耐熱性、耐食性、緻密性などが要求されるためＳＵＳ、チタン、ハステロイ等の金属材料が適当であるが、溶出物に対する要求などによってはセラミック材料やカーボン系材料、あるいはフッ化物系材料を用いることも考えられる。

各流路Ａ、Ｂ、Ｃにはそれぞれ蓋２および下部容器１を貫通して流入配管１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃと流出配管１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃとが設けられている。
これらの流入配管１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃと流出配管１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃとは必要に応じて図示しない流体の流通可能な絶縁性の継手を介して外部のプラントの水系統と接続されている。

前記した電極７ａ、７ｂと隔膜１６ａ、１６ｂとにより脱塩装置の反応ユニットが構成され、この反応ユニットは以下に記載するように絶縁物を介して下部容器１と蓋２とからなる耐熱耐圧容器１９の中に支持固定されている。
すなわち、下部容器１の内面と陰電極７ａ、および陽電極７ｂとの間には、両者を絶縁する絶縁物２０ａ、２０ｂが介在されている。

陰電極７ａ、および陽電極７ｂのそれぞれ上下端部には、陰電極７ａ、および陽電極７ｂと下部容器１および蓋２とを絶縁する絶縁物２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂが配置されている。

流路Ａの上下端において、陰電極７ａと隔膜１６ａとの間には、流路Ａ内を流れる陰極液２３と下部容器１および蓋２とを絶縁し、且つ陰極液２３が流入配管１７Ａおよび流出配管１８Ａを通過して流通可能な筒状の絶縁物２４ａ、２４ｂが配置されている。

流路Ｂの上下端において、隔膜１６ａと１６ｂの間には、流路Ｂ内を流れる被処理液２５と下部容器１および蓋２とを絶縁し、且つ被処理液２５が流入配管１７Ｂおよび流出配管１８Ｂを通過して流通可能な筒状の絶縁物２６ａ、２６ｂが配置されている。

流路Ｃの上下端において、陽電極７ｂと隔膜１６ｂとの間には、流路Ｃ内を流れる陽極液２７と下部容器１および蓋２とを絶縁し、且つ陽極液２７が流入配管１７Ｃおよび流出配管１８Ｃを通過して流通可能な筒状の絶縁物２８ａ、２８ｂが配置されている。

陰極側の隔膜１６ａの上下端において、隔膜１６ａと蓋２および下部容器１との間には、隔膜１６ａと蓋２および下部容器１とを絶縁する絶縁物２９ａ、２９ｂが配置されている。
陽極側の隔膜１６ｂの上下端において、隔膜１６ｂと蓋２および下部容器１との間には、隔膜１６ｂと蓋２および下部容器１とを絶縁する絶縁物３０ａ、３０ｂが配置されている。このように、脱塩装置の反応ユニットを下部容器１と蓋２とからなる耐熱耐圧容器１９の中に絶縁物によって支持固定されている。

これらの絶縁物の材質には耐熱性、耐食性、絶縁性などが要求されるため、高温水に対する耐熱性を有するフッ化物系あるいは無機物系を用いることができ、これらの選定には高温水中での強度や溶出物などを調べる必要がある。

次に本発明の第１の実施の形態による脱塩装置の作用について説明する。
電極端子金具８ａ、８ｂを通して電極７ａ、７ｂに図示しない電源から電圧を加えることにより耐熱耐圧容器１９内の電極７ａ、７ｂ間には電界が加えられる。

この電界中に流入配管１７Ａおよび流出配管１８Ａを通して流路Ａ内に陰極液２３を、また流入配管１７Ｂおよび流出配管１８Ｂを通して流路Ｂ内に復水などの帯電性の不純物を含む被処理液２５を、さらに流入配管１７Ｃおよび流出配管１８Ｃを通して流路Ｃ内に陽極液２７を流入させる。

電界中を通過する被処理液２５は、電気泳動作用によりその液中に含まれる溶解性金属イオン、不溶解性不純物（クラッド）、海水リーク時の塩化物イオンなどの不純物がそれぞれの極性に従って隔膜１６ａ、１６ｂを透過して陰電極あるいは陽電極方向に泳動され、流路ＡまたはＣを流れる陰極液２３または陽極液２７中に移動分離され、被処理液２５中から除去される。
陰極液２３または陽極液２７中に分離移動した不純物は、陰極液２３または陽極液２７と共に流出配管１８Ａ、１８Ｃから排出され、被処理液２５は浄化される。

電極７ａ、７ｂと隔膜１６ａ、１６ｂとからなる本実施の形態における反応ユニットは、絶縁物により耐熱耐圧容器中に支持固定されているので電極から印加される電界は耐熱耐圧容器１９に漏洩することなく、泳動作用による不純物の除去が確実に行われる。

また、金属製の耐熱耐圧容器１９と反応ユニットとの組合わせにより、例えば２８０℃、７０気圧程度の高温高圧の原子力発電所の系統水での使用が可能となり、高純度の水に対しても脱塩処理が可能となる。

さらに、パッキン４、１４ａ、１４ｂは耐熱耐圧容器の一番外側に配置されているので、パッキンに掛かる温度が大気放冷によって冷却されるので熱的劣化を防ぐことができる。
さらにまた、パッキン４、１４ａ、１４ｂの内側に充填部材６、１５ａ、１５ｂが配置されているので反応ユニットからのパッキン４、１４ａ、１４ｂに運ばれる熱量を低減することができ、パッキン４、１４ａ、１４ｂの熱的劣化をより低減することができる。

次に本発明の第２の実施の形態について図２の概略構成図を参照して説明する。なお、図２において、図１に示す第１の実施の形態と同一部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施の形態においては、不純物の透過粒径の異なる二組の隔膜１６ａ１、１６ｂ１と１６ａ２、１６ｂ２とを電極７ａ、７ｂの対向軸に沿って適宜離間させて配置している。

このようにすると、被処理液２５中に含まれる不純物がその粒径の大きさによって隔膜１６ａ１、１６ｂ１と１６ａ２、１６ｂ２とによって振るいに欠けられ、異なる粒径の不純物を分別して除去することができる。
この隔膜の数は二種類までに限定されること無く必要に応じて複数枚設けることができる。

本発明の第１の実施の形態による脱塩装置を示す縦断正面図。 本発明の第２の実施の形態による脱塩装置を示す概略構成図。 従来の原子力発電設備の一般的な系統図。

符号の説明

１…下部容器、２…蓋、３…フランジ部、４…パッキング、５ａ…ボルト、５ｂ…ナット、６…充填剤、７ａ…陰電極、７ｂ…陽電極、８ａ、８ｂ…電極端子金具、９ａ、９ｂ…端子部、１０ａ、１０ｂ…穴、１１ａ、１１ｂ…ネジ、１２ａ、１２ｂ…締めボルト、１３ａ、１３ｂ…孔、１４ａ、１４ｂ…パッキング、１５ａ、１５ｂ…充填材料、１６ａ、１６ｂ…隔膜、１７Ａ〜１７Ｃ…流入配管、１８Ａ〜１８Ｂ…流出配管、１９…耐熱耐圧容器、２３…陰極液、２５…被処理液、２７…陽極液、２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂ、２９ａ、２９ｂ、３０ａ、３０ｂ…絶縁物。

Claims (6)

1. 金属製の耐熱耐圧容器と、前記耐熱耐圧容器内に絶縁物を介して互いに対向して配置固定され、一方が陽電極で他方が陰電極である一対の電極と、前記耐熱耐圧容器内に絶縁物を介して、前記対向配置された電極の対向軸を横切るように配置固定され、前記耐熱耐圧容器内に帯電性の不純物を含む被処理液の流路と、陰極液の流路と、陽極液の流路とを形成する少なくとも一対の隔膜と、から構成され、
   この隔膜の材料がステンレス鋼、チタン、ハステロイから選択された金属材料、またはセラミック材料の少なくともいずれか一つであることを特徴とする脱塩装置。
2. 前記耐熱耐圧容器が、有底円筒状の容器と、この容器の一端開口にパッキングを介して締結固定された蓋とからなることを特徴とする請求項１記載の脱塩装置。
3. 前記隔膜が、前記被処理液の流路を通過する不純物の透過粒径の異なる複数の隔膜からなることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の脱塩装置。
4. 前記パッキングの内側の容器と蓋との間に充填物を配置したことを特徴とする請求項２記載の脱塩装置。
5. 前記耐熱耐圧容器内の被処理液の流路と、陰極液の流路と、陽極液の流路とをそれぞれ流体の流通可能な絶縁継手を介して外部の水系統と接続したことを特徴とする請求項１記載の脱塩装置。
6. 前記電極の材料が、白金族系の材料、またはチタンの基材に白金族系の材料を被覆したもののいずれか一つであることを特徴とする請求項１記載の脱塩装置。

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