JP4476207B2

JP4476207B2 - 水素検知器

Info

Publication number: JP4476207B2
Application number: JP2005323351A
Authority: JP
Inventors: 浩一福永; 敏郎西; 博之蔦谷
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-11-08
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2025-11-08
Also published as: JP2007132693A

Description

本発明は、溶融金属中などの水素濃度の検知、特に高速増殖炉の冷却材などに使用される液体ナトリウム中に水などが漏洩したことを的確に検知するために用いて好適な水素検知器に関するものである。

周知のように、高速増殖炉では、高純度の液体ナトリウムが冷却剤として使用されている。この場合の液体ナトリウムは、原子炉で加熱された後、蒸発器や加熱器で水を加熱することにより冷却される。液体ナトリウムは化学反応性が非常に高いので、その漏洩には細心の注意が必要である。特に、熱交換が行われる蒸発器や加熱器におけるナトリウム中への水浸入は、設備に深刻な損傷を与える虞があるため、その監視が高速増殖炉設備における安全管理上の最重要項目となっている。

従来、高速増殖炉設備では、前記液体ナトリウム中への水漏洩を検出するために水素濃度計が用いられている。この水素濃度計は、ナトリウム中へ水が漏洩すると、即座にナトリウムと水が反応して水素が発生するので、この水素を検出することにより、水の漏洩を検知する構成の検出器である。

このような水素濃度計に関する技術として、例えば、図４に示すような構造の水リーク検出器のような水素検知器が提案されている（特許文献１）。

図４に示すように、この水素検知器１０は、容器隔壁１１から液体ナトリウム（Ｎａ）１２に垂下された有底のペロブスカイト構造をもつ固体電解質からなる水素濃度計１３と、前記水素濃度計１３内に設けられ、その底部側に多孔質板１４を介して水素を供給する基準水素発生源１５と、前記水素濃度計１３の底部の内側と外側にそれぞれ取り付けられた電極１６、１７と、電極１６、１７に各々と接続されているリード線１８、１９と、前記リード線１８、１９の電位差を測定する電圧計２０とを有している。そして、容器隔壁１１と水素濃度計１３とは接続部材２１によって接続されている。前記接続部材２１は、ガイド２２と接続材２３と絶縁材２４とにより構成されている。

このように、上記のような構成の水素検知器１０を用いれば、水素濃度計１３を前記液体ナトリウム１２中に浸漬させてその外側と内側との電位差のみを測定することにより、容易に水素濃度を計測できる。また、水素の検知に水素濃度計１３に生じる起電力を利用しているので、高速に水素濃度の計測が可能であった。

特開２００１−５１０８８号公報

しかしながら、前記従来の水素検知器１０は、前記絶縁材２４が直接液体ナトリウム（Ｎａ）１２と接触等することにより、前記絶縁材２４の腐食が進行して、水素濃度計１３が液体ナトリウム（Ｎａ）１２中に落下してしまう、という問題がある。

また、前記従来の水素濃度計１３は、固体電解質のセラミックスであるため繰り返しの使用により疲労して熱応力により、前記水素濃度計１３が破損する、という問題がある。

そして、前記水素検知器１０では、前記水素濃度計１３が直接液体ナトリウム（Ｎａ）１２と接触しているため、前記水素濃度計１３が破損した場合の安全対策が不備である、という問題がある。

更に、前記水素濃度計１３が破損した場合には、破損した前記水素濃度計１３の破片が前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２中に飛散し、破損した前記水素濃度計１３の破片を回収することができない、というが問題がある。

そこで、本発明は、前記問題に鑑み、液体ナトリウムに対する耐食性が高く安全性の高い水素検知器を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、液体中の水素濃度を検出する水素検知器であって、液体ナトリウム流通管内の液体ナトリウム（Ｎａ）に垂下されている有底の水素濃度計と、前記水素濃度計の上部を閉塞する蓋体と、前記蓋体を貫通して前記水素濃度計の底部側に基準水素ガス（Ｈ₂）を供給する水素ガス供給管、及び前記基準水素ガス（Ｈ₂）を排出する水素ガス排出管と、前記水素濃度計の底部の内側と外側にそれぞれ取り付けられた電極と、前記内側の電極と外側の電極間の起電力を測定する電圧計と、前記蓋体を挟む菅板から前記液体ナトリウム（Ｎａ）に垂下されると共に、前記水素濃度計を囲む下端開放の保護管と、前記保護管内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給管、及び不活性ガスを排出する不活性ガス排出管とを有し、前記水素濃度計を前記液体ナトリウム（Ｎａ）中に挿入した際に、前記水素濃度計と前記保護管との間にある空間を不活性ガスの密閉雰囲気を形成して、前記液体ナトリウム（Ｎａ）と前記不活性ガス雰囲気とにより形成される界面が、前記液体ナトリウム（Ｎａ）面より下側になるように形成していることを特徴とする水素検知器にある。

また、本発明の第２の発明は、第１の発明において、前記液体ナトリウム（Ｎａ）の液面の高さを監視する液面計が設けられていることを特徴とする水素検知器にある。

また、本発明の第３の発明は、第１または２の発明において、前記保護管の下端部に網が設けられていること特徴とする水素検知器にある。

本発明によれば、応答速度が速く、構造が簡素で、設置コスト及び運転コスト共に少なく、かつ、液体ナトリウムに対する耐食性が高く安全性の高い水素検知器を提供することができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。また、本発明は、下記の発明の実施の形態に限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態にかかる水素検知器について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる水素検知器の概略構成を示すもので、本発明の水素検知器１００Ａを液体ナトリウム（Ｎａ）１２が流通する液体ナトリウム流通管３０に挿入設置されている状態を示す概略構成図である。

図１に示すように、本実施形態に係る水素検知器１００Ａは、前記液体ナトリウム流通管３０内の前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２に垂下されている有底の水素濃度計１３と、前記水素濃度計１３の上部を閉塞する蓋体３１と、前記蓋体３１を貫通して前記水素濃度計１３の底部側に基準水素ガス（Ｈ₂）を供給する水素ガス供給管３２、及び前記基準水素ガス（Ｈ₂）を排出する水素ガス排出管３３と、前記水素濃度計１３の底部の内側と外側にそれぞれ取り付けられた電極１６、１７と、前記内側の電極１６と外側の電極１７間の起電力を測定する電圧計２０と、前記蓋体３１を挟む菅板３４から前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２に垂下されると共に、前記水素濃度計１３を囲む下端開放の保護管３５とを有している。

また、本発明の第１の実施形態においては、保護管３５の下端部に網３９を設けている。前記保護管３５の下端部に前記網３９を設けることにより、前記水素濃度計１３が破損した場合でも、破損した前記水素濃度計１３の破片が前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２中に飛散することを防止することができる。また、破損した前記水素濃度計１３の破片を回収することもできる。ここで、前記網３９は、ステンレス製の金網等、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２に対して耐食性のある金属のものを用いるのが好ましい。

本発明の第１の実施形態では、図１に示すように、前記水素濃度計１３が直接液体ナトリウム（Ｎａ）１２と接触することにより、容易に水素濃度を測定することができる。また、水素の検知に前記水素濃度計１３に生じる起電力を利用しているので、速く水素濃度を測定することが可能である。

ここで、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２に水が漏洩しているか否かの検出について以下に説明する。先で、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２中に仮に水が漏洩した場合に下記式（１）
２Ｎａ＋Ｈ₂Ｏ→Ｎａ₂Ｏ＋Ｈ₂ （１）
に示す反応に従って、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２中に水素が発生するので、この水素濃度を測定することによって、水の漏洩を検出する。その測定は、前記水素濃度計１３の内側の基準水素量と外側の水素存在量との差から生じる起電力を前記電極１６，１７と前記電圧計２０とを用いて直接的に測定することによって求められる。したがって、従来の水素濃度計のように膜中の水素ガス拡散速度に測定速度が依存することがなく、測定応答速度が大変速くなる。

前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２中の水素が水素イオンとなって前記水素濃度計１３を透過することによって起電力が生じ、それを前記電極１６と１７と前記電圧計２０によって測定することによって、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２中の水素濃度が測定される。

また、本発明の第１の実施形態においては、前記液体ナトリウム流通管３０に挿入部３０ａが設けている。この前記挿入部３０ａを介して、前記水素濃度計１３と前記保護管３５とを前記液体ナトリウム流通管３０から容易に取り出して交換することができる。

また、本発明の第１の実施形態においては、前記管板３４は前記蓋体３１を二つの層からなる金属板で挟むように構成されている。これにより、前記蓋体３１は、前記二層からなる前記管板３４によって固定され安定して設置することができる。

また、本発明の第１の実施形態においては、前記蓋体３１と前記水素濃度計１３とはガラスシール４０によって接着されている。これにより、前記水素濃度計１３は、前記蓋体３１と安定して固定される。また、前記ガラスシール４０の代わりに前記水素濃度計１３と前記蓋体３１と固定するために、他の部材を用いても良い。

また、本発明の第１の実施形態においては、前記水素ガス排出管３３の外側に水素ガス排出管４２を有するチャンバー４１が設けられている。これにより、前記水素ガス排出管３３より排出された水素ガス（Ｈ₂）は、一度前記チャンバー４１内に戻されて、その後前記チャンバー４１内の水素ガス（Ｈ₂）は、前記水素ガス排出管４２より排出される。

また、水素計ユニット５０は前記水素濃度計１３と前記保護管３５とを含んで構成されている。本発明の第１の実施形態のように、前記保護管３５の下端部に前記網３９を設けている場合には、前記水素計ユニット５０は、さらに前記網３９をも含む。

また、本発明の第１の実施形態においては、駆動部装置（図示せず）を設けている。前記駆動部装置を設けることにより、前記水素計ユニット５０は前記水素濃度計１３と前記保護管３５とを一体として昇降自在に移動することになる。

また、本発明の第１の実施形態において、前記水素計ユニット５０を上部に引き上げるに際して、前記挿入部３０ａ内にバルブ（図示せず）を設けて前記挿入部３０ａの途中を閉鎖することにより、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２の流出を抑止することができる。

また、本発明の第１の実施形態においては、前記電極１６，１７は各々リード線１８，１９により電圧計２０に接続されている。前記電圧計２０は、前記水素濃度計１３が割れた場合には、電圧が急上昇して起電力が０となる。そのため、異常が発生した場合には、前記挿入部３０ａの途中に設けた前記挿入部３０ａ内のバルブ（図示せず）を閉鎖することにより、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２の流出を抑止することができる。

なお、前記リード線１８，１９には表面を絶縁した白金のものを用いているが、これに限定されず白金以外のものを用いても良い。

次に、図２を用いて前記水素計ユニット５０の引き上げ動作の際の概略を説明する。

図２に示すように、駆動部装置５４は、導管５１と、該導管５１内を昇降する昇降部材５２と、該昇降部材５２を駆動するモーター５３とから構成されている。前記昇降部材５２と前記水素計ユニット５０とは一体として昇降自在とされている。

また、図２に示すように、前記挿入部３０ａは、シール用ガス５５−１と、昇圧用ガス５５−２と、第１のバルブ５６−１と第２のバルブ５６−２とを有している。前記シール用ガス５５−１により前記挿入部３０ａの上部をシールして、前記昇圧用ガス５５−２により、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２の液面を前記第２のバルブ５６−２より下側になるようにしている。

なお、図２の説明では、前記シール用ガス５５−１と前記昇圧用ガス５５−２とに不活性ガスとしてＡｒガスを用いている。用いられる不活性ガスは、Ａｒガスに限らずＨｅなど他の不活性ガスを用いても良い。

図２に示すように、測定時（図２中、左側図面）には、前記水素計ユニット５０は前記液体ナトリウム流通管３０中に挿入されており、前記水素濃度計１３の外側と前記保護管３５とが前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２と接触している。これにより、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２中の水素濃度を測定している。

次に、非測定時（図２中、右側図面）には、モーター５３によって前記昇降部材５２と前記水素計ユニット５０とが一体して引き上げられる。そして、前記昇圧用ガス５５−２により、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２の液面を前記第２のバルブ５６−２より下側に押下げて、前記第１のバルブ５６−１と前記第２のバルブ５６−２を閉じる。これにより、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２の流出を抑えることができる。

また、前記水素計ユニット５０は、測定時の場合であっても、前記水素計ユニット５０を構成する前記水素濃度計１３が破損する等、異常が生じた場合には、前記駆動部装置５４によって前記水素計ユニット５０を引き上げて、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２と接触しないようにすることもできる。これにより、前記水素濃度計１３が破損した場合でも、被害を最小限度に抑えることができる。

よって、上述したように、本発明の第１の実施形態に係る水素検知器１００Ａによれば、応答速度が速く、構造が簡素で設置スペースが少なくて済み、設置コスト及び運転コストともに少ない水素検知器を提供することができる。

なお、本発明の第１の実施形態に係る水素検知器１００Ａにおいて、前記保護管３５の下端部に設けられている前記網３９について、本発明はこれに限定されず、前記網３９を設けないようにしても良い。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態にかかる水素検知器について、図面を参照して説明する。

図３は、本発明の第２の実施形態にかかる水素検知器の概略構成を示すもので、本発明の水素検知器１００Ｂを前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２が流通する前記液体ナトリウム流通管３０に挿入設置されている状態を示す概略構成図である。

なお、本発明の第１の実施形態にかかる水素検知器１００Ａの部材と同一の符号を付して重複した説明は省略する。

図３に示すように、本発明の第２の実施形態にかかる水素検知器１００Ｂは、図１の水素検知器１００Ａに加え、前記保護管３５内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給管３６、及び不活性ガスを排出する不活性ガス排出管３７と、液面計３８を有する実施形態を示している。

本発明の第２の実施形態にかかる水素検知器１００Ｂにおいては、前記保護管３５内に不活性ガスを供給する前記不活性ガス供給管３６と、不活性ガスを排出する前記不活性ガス排出管３７とを有している。このように、水素検知器１００Ｂが、前記保護管３５内に不活性ガスを供給する前記不活性ガス供給管３６と、不活性ガスを排出する前記不活性ガス排出管３７とを有することにより、前記水素濃度計１３と前記保護管３５との間にある空間に不活性ガス雰囲気を形成することができる。また、前記水素濃度計１３と前記保護管３５との間にある空間を不活性ガス雰囲気とすることにより、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２の上昇を抑えることもできる。

さらに、本発明の第２の実施形態にかかる水素検知器１００Ｂにおいては、前記水素濃度計１３を前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２中に挿入した際に、前記水素濃度計１３の外側と前記保護管３５の内側との間の空間に形成される不活性ガスの密閉雰囲気と、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２とにより形成される界面Ｌが、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２面より下側になるように形成している。このように、前記水素濃度計１３を前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２中に挿入した際に、前記水素濃度計１３と前記保護管３５との間にある空間に形成される不活性ガスの密閉雰囲気と前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２とにより形成される界面Ｌが、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２面より下側になるように形成すれば、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２が前記水素濃度計１３と前記保護管３５の上部にまで上昇して来ることがないため、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２と接触する前記水素濃度計１３や前記保護管３５の侵食を抑えることができる。

また、本発明の第２の実施形態においては、不活性ガスとしてＡｒガスを用いており、前記水素濃度計１３と前記保護管３５との間にある空間をＡｒガス雰囲気としている。本発明はこれに限定されず、Ａｒガスに限らずＨｅなど他の不活性ガスを用いても良い。

また、本発明の第２の実施形態においては、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２の液面の高さを監視する前記液面計３８を有している。前記液面計３８は前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２と接触するセンサーＳ１と、前記液体ナトリウム流通管３０とほぼ同じ高さの位置にあるセンサーＳ２とを有している。

ここで、本発明の第２の実施形態においては、前記水素濃度計１３が破損したり、前記水素計ユニット５０に異常が生じた場合には、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２の液面の高さが上昇することが考えられる。本発明の第２の実施形態においては、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２の液面が前記液体ナトリウム流通管３０の位置まで上昇してきた場合には、前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２が前記センサーＳ２と接触して前記液面計３８が感知して、前記挿入部３０ａ内のバルブを閉じる。これにより、前記水素濃度計１３が前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２と接触しないようにすることができる。

また、本発明の第２の実施形態においては、前記液面計３８と、水素ガス供給するためのバルブ３２ａと、前記不活性ガスを供給するためのバルブ３６ａと、前記不活性ガスを排出するためのバルブ３７ａと、水素ガス排出するためのバルブ４２ａとがＣＰＵ（制御装置）５７に連結されている。前記ＣＰＵ（制御装置）５７によって、水素ガスの供給量、排出量、不活性ガスの供給量、排出量の調整を行うと共に、前記水素濃度計１３の異常の際には的確に対応するようにしている。

よって、上記のように、本発明の第２の実施形態に係る水素検知器１００Ｂによれば、応答速度が速く、構造が簡素で設置スペースが少なくて済み、設置コスト及び運転コストともに少なく、かつ、液体ナトリウムに対する耐食性が高く安全性の高い水素検知器を提供することができる。

なお、本実施形態で前記保護管３５の下端部に設けられている前記網３９について、本発明はこれに限定されず、前記網３９を設けないようにしても良い。同様に、本実施形態で設けられている前記液体ナトリウム（Ｎａ）１２の液面を監視する前記液面計３８についても、本発明はこれに限定されず、前記液面計３８を設けないようにしても良い。

以上のように、本発明に係る水素検知器は、応答速度が速く、構造が簡素で、設置コスト及び運転コストともに少なく、かつ、液体ナトリウムに対する耐食性が高く安全性にも優れており、高速増殖炉施設における冷却剤として使用されている液体ナトリウム中への水漏洩を監視するための水素検出器に好適に用いる。

本発明の第１の実施形態にかかる水素検知器の概略構成図である。本発明の第１の実施形態にかかる水素検知器の水素計ユニットの引き上げ動作の際の概略図である。本発明の第２の実施形態にかかる水素検知器の概略構成図である。従来の水素検知器の構成を示す図である。

符号の説明

１００Ａ，１００Ｂ水素検知器
１１容器隔壁
１２液体ナトリウム
１３水素濃度計
１６，１７電極
１８，１９リード線
２０電圧計
３０液体ナトリウム流通管
３０ａ挿入部
３１蓋体
３２水素ガス供給管
３２ａバルブ
３３水素ガス排出管
３４菅板
３５保護管
３６不活性ガス供給管
３６ａバルブ
３７不活性ガス排出管
３７ａバルブ
３８液面計
３９網
４０ガラスシール
４１チャンバー
４２水素ガス排出管
４２ａバルブ
５０水素計ユニット
５１導管
５２昇降部材
５３モーター
５４駆動部装置
５５−１シール用ガス
５５−２昇圧用ガス
５６−１第１のバルブ
５６−２第２のバルブ
５７ＣＰＵ（制御装置）
Ｓ１、Ｓ２センサー
Ｌ界面

Claims

液体中の水素濃度を検出する水素検知器であって、
液体ナトリウム流通管内の液体ナトリウム（Ｎａ）に垂下されている有底の水素濃度計と、
前記水素濃度計の上部を閉塞する蓋体と、
前記蓋体を貫通して前記水素濃度計の底部側に基準水素ガス（Ｈ₂）を供給する水素ガス供給管、及び前記基準水素ガス（Ｈ₂）を排出する水素ガス排出管と、
前記水素濃度計の底部の内側と外側にそれぞれ取り付けられた電極と、
前記内側の電極と外側の電極間の起電力を測定する電圧計と、
前記蓋体を挟む菅板から前記液体ナトリウム（Ｎａ）に垂下されると共に、前記水素濃度計を囲む下端開放の保護管と、
前記保護管内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給管、及び不活性ガスを排出する不活性ガス排出管とを有し、
前記水素濃度計を前記液体ナトリウム（Ｎａ）中に挿入した際に、
前記水素濃度計と前記保護管との間にある空間を不活性ガスの密閉雰囲気を形成して、
前記液体ナトリウム（Ｎａ）と前記不活性ガス雰囲気とにより形成される界面が、前記液体ナトリウム（Ｎａ）面より下側になるように形成していることを特徴とする水素検知器。
請求項１において、
前記液体ナトリウム（Ｎａ）の液面の高さを監視する液面計が設けられていることを特徴とする水素検知器。
請求項１または２において、
前記保護管の下端部に網が設けられていること特徴とする水素検知器。