JP6180981B2

JP6180981B2 - 水素処理装置

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Publication number: JP6180981B2
Application number: JP2014064427A
Authority: JP
Inventors: 敏浩吉井; 基茂柳生; 美香田原; 雅人岡村; 重広味森; 雅士田邊
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Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2034-03-26
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Description

本発明の実施形態は、ガス中に含まれる水素を除去する水素処理装置に関する。

原子力プラントでは、原子炉炉心を収容する原子炉圧力容器を原子炉格納容器に格納している。原子炉格納容器には、原子炉圧力容器を包囲する上部ドライウェルと下部ドライウェル、および、上部ドライウェルとベント管を介して接続され内部に水を貯蔵したサプレッションプールを備えたウェットウェルが形成されている。また、原子炉圧力容器を包囲して生体遮蔽壁が設置されている。

上記のような構成の原子炉格納容器において、原子炉事故が発生すると、原子炉格納容器内に水素が発生する。例えば、原子炉圧力容器に接続された主蒸気管等が万一破断した場合、原子炉格納要容器内の上部ドライウェルに高温・高圧の原子炉一次冷却材（水）が放出され、上部ドライウェル内の圧力・温度が急激に上昇する。

上部ドライウェル内の気体と混合して、ベント管を通してサプレッションプールにおいて吸収される。原子炉圧力容器には内には非常用炉心冷却系によりサプレッションプールの水が注入されて炉心が冷却されるが、この冷却水は長期的には炉心から崩壊熱を吸収し、破断した配管の破断口からドライウェルへ流出される。このため、上部ドライウェル内の圧力・温度は常にウェットウェルよりも高い状態となる。

このような長期的な事象下で、軽水炉型原子力発電所の原子炉内では冷却材である水が放射分解され、水素ガスと酸素ガスが発生する。さらに、燃料被覆管の温度が上昇する場合には水蒸気と燃料被覆管材料のジルコニウムとの間で反応（Ｍｅｔａｌ−Ｗａｔｅｒ反応）が生じ、短時間で水素ガスが発生する。

こうして発生する水素ガスが破断した配管の破断口から原子炉格納容器内に放出され、原子炉格納容器内の水素ガス濃度は次第に上昇する。また、水素ガスは非凝縮性であるから、原子炉格納容器内の圧力も上昇する。

このような水素ガスが発生し、原子炉格納容器内の水素濃度が上昇する事態に対して、何等有効な対策を採ることができずに水素ガス濃度が４ｖｏｌ％かつ酸素濃度が５ｖｏｌ％以上に上昇した場合、すなわち可燃性ガスとしての水素ガスの濃度が可燃限界を超えた場合、気体は可燃状態となる。さらに、水素ガス濃度が上昇すると過剰な反応が発生する可能性が生じる。

可燃性ガスである水素ガスが可燃状態となる等の事態を防止する有効な対策としては、例えば、従来の沸騰水型原子力発電設備の場合には、圧力抑制式の原子炉格納容器内を窒素ガスで置換し酸素濃度を低く維持することがある。このような対策を実践可能な装置等を導入することにより、Ｍｅｔａｌ−Ｗａｔｅｒ反応により短時間で大量に発生する水素ガスに対しても原子炉格納容器内が可燃性雰囲気となることを防止し、固有の安全性が達成される。

また、他の対策例としては、再結合器およびブロアを有する可燃性ガス濃度抑制装置を原子炉格納容器外に設置することである。可燃性ガス濃度抑制装置は、原子炉格納容器内の気体を原子炉格納容器外に吸引し、昇温させて水素ガスと酸素ガスを再結合させて水に戻し、残りの気体を冷却してから原子炉格納容器内へ戻すように動作する装置である。このように動作する可燃性ガス濃度抑制装置を設置することで、原子炉格納容器内の可燃性ガス濃度上昇が抑制される。

さらに、上述の対策（装置）とは異なる別の対策例としては、外部電源を必要とせず、静的に可燃性ガス濃度を抑制する装置が提案されている。外部電源を必要とせず、静的に可燃性ガス濃度を抑制する技術の例として、例えば、水素の酸化触媒を用いて再結合反応を促進させる触媒式再結合装置を原子炉格納容器内に複数設置する技術や、活性金属を用いて水素を処理する技術等がある。

特開２００５−３３７１号公報

Ｍｅｔａｌ−Ｗａｔｅｒ反応によって大量の水素が発生する事象下において、上述の水素と酸素の再結合による従来の水素処理技術では、低酸素状態で水素の除去を行うことが困難である。水素除去ができない場合、格納容器内圧力を低減することができず、事故を収束に導くことが困難となる。この場合、現行のシステムでは格納容器内雰囲気を環境に放出して格納容器内圧力を低減し、事故を収束することが計画されているが、同時に放射性廃棄物を環境に放出するリスクを少なからず負うことになる。そこで、酸素濃度が低く再結合を行うのが難しい低酸素状態下においても、水素除去処理される水素を含有するガス（以下、「被処理ガス」と称する。）から水素を除去する方法として、水素吸蔵合金を利用する技術が提案されている。

しかしながら、水素吸蔵合金が吸蔵する水素の重量は、例えば、Ｔｉ−Ｆｅの場合、合金重量の約１．８％と低く、吸蔵量は高々その合金重量の数％程度にすぎない。そのため、水素吸蔵合金を利用する水素除去技術を用いて、原子炉の過酷事故発生時のような大量に水素が発生する事態に対処するためには、膨大な量の水素吸蔵合金が必要となり、現実的には適用が困難という点で課題がある。

また、被処理ガスから水素を除去する別な方法として、水素／酸素反応を促進する触媒を下段に、水素／窒素反応を促進する触媒を上段に設置して、水素を除去する方法も提案されている。

しかしながら、原子炉の過酷事故発生から数時間では、原子炉格納容器内は酸素が少ないため、触媒を処理材とする水素除去技術は必ずしも十分な効果を発揮し得ない点で課題がある。

一方、水素を除去処理する処理材（水素との反応材）として、例えば、酸化銅（ＣｕＯ）、過酸化マンガン（Ｍｎ_ｎＯ_ｍ）、酸化コバルト（Ｃｏ_ｎＯ_ｍ）等の金属酸化物、過酸化物イオン（Ｏ_２ ^２−）と金属とで構成される塩である金属過酸化物等の複数の酸化数を取り得る金属酸化物中の高次の酸化数を持つ材料を用い、水素を酸化させることによって水素を除去する技術も提案されている。この技術では、反応材として金属過酸化物を用いる場合にはもちろんのこと、金属酸化物を用いる場合においても、金属酸化物に含まれるＯと水素ガスとが結合して水（Ｈ_２Ｏ）を生成することできるため、外部からの酸素を必要とすることなく水素を除去することができる利点がある。

一般的には、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブテン（Ｍｏ）、（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、カドミウム（Ｃｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、ニオブ（Ｎｂ）等から選択される金属過酸化物が反応材として有効である。

しかしながら、上述した金属過酸化物等を反応材として用いる水素除去技術を原子炉格納容器内の雰囲気に含まれる水素ガスを除去するために適用する場合、低温での水素との反応が良好なマンガン（Ｍｎ）系の酸化物は、約２８０度（℃）になると酸素の遊離が生じる性質がある。従って、酸素の遊離が生じる酸素遊離温度（約２８０℃）以上の環境下では、Ｍｎ系の酸化物が不活性化されている原子炉格納容器内に酸素を供給することとなるため、好ましくない。

酸素が供給される事態を回避するためには、温度が上昇しても酸素の遊離を生じない反応材の適用が有効である。温度が上昇しても酸素の遊離を生じない材料としては、銅（Ｃｕ）の酸化物がある。ところが、Ｃｕの酸化物は、低温での反応速度が低くいため、水素との反応材の全てをＣｕの酸化物とすることは、大量の水素除去を必要とする環境下での装置適用を想定した場合に不利となる。

また、Ｃｕの酸化物は、水素との反応熱が大きいため、水素と反応すると処理材（反応材）の温度が高くなる性質がある。従って、低温での反応速度の低さを補うために、低温での反応が良好な材料としてＭｎ系の酸化物を用いる場合には、前記酸素の遊離を如何に抑制するかが重要である。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、反応材からの酸素遊離を抑制しつつ、被処理ガスが低温であっても、被処理ガスに含まれる水素をスムーズに処理可能な水素処理装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る水素処理装置は、上述した課題を解決するため、水素と自身に含まれる酸素とを反応させて水素を酸化させる金属酸化物で形成される少なくとも二つの反応層を備え、導入されたガスが、前記二つの反応層の一方であって前記ガスの流れに対して上流側に位置する第１の反応層を通過し、その後に前記二つの反応層の他方であって前記第１の反応層の下流側に隣接する下流側反応層を通過する際に、前記ガスに含まれる水素を酸化させて除去する水素処理装置であって、前記第１の反応層は、前記金属酸化物として、低温度域で水素との反応が活性で反応熱を発生させる第１金属酸化物を有し、前記下流側反応層は、前記金属酸化物として、前記低温度域における水素との反応速度よりも、前記低温度域より高い所定範囲の温度域である高温度域における水素との反応速度が高い第２金属酸化物を有することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、反応材からの酸素遊離を抑制しつつ、被処理ガスが低温であっても、被処理ガスに含まれる水素をスムーズに処理することができる。

本発明の実施形態に係る水素処理装置の適用例を示す概略図。本発明の実施形態に係る水素処理装置の構成例を示す概略図。本発明の実施形態に係る水素処理装置が具備する反応材モジュールの反応材収容体の構成例を示す概略図。本発明の実施形態に係る水素処理装置に適用し得る反応材と、反応速度、酸素遊離の有無、および反応時の発熱量との関係を示す説明図（表）。本発明の実施形態に係る水素処理装置に適用し得る反応材と反応速度との関係を示す説明図（グラフ）。

以下、本発明の実施形態に係る水素処理装置について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明においては、上、下、左、右等の方向を示す言葉は、図示した状態または通常の使用状態を基準とする。

本発明の実施形態に係る水素処理装置では、水素を除去する技術として、金属酸化物または過酸化物イオン（Ｏ_２ ^２−）と金属とで構成される塩である金属過酸化物等の複数の酸化数を取り得る金属酸化物中の高次の酸化数を持つ材料を反応材として用い、水素を酸化させることによって水素を消費（除去）する技術を採用する。反応材として金属過酸化物を用いて被処理ガスに含有する水素を除去する技術は、金属過酸化物自体に含まれる酸素を利用するため、外部の酸素を必要とすることなく被処理ガスから水素を除去することができるという利点がある。なお、反応材として金属酸化物を用いる場合においても、金属酸化物に含まれるＯと水素ガスとが結合して水（Ｈ_２Ｏ）を生成することできる。

続いて、本発明の実施形態に係る水素処理装置について、本発明の実施形態に係る水素処理装置を原子炉格納容器１（図１）の雰囲気から水素を除去する際に適用する場合を例示して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る水素処理装置の一例である水素処理装置５０の適用例（原子炉格納容器１の雰囲気から水素を除去するために水素処理装置５０を適用する場合の一例）を示す概略図である。

ここで、図１に示される各構成は、それぞれ、原子炉格納容器１、炉心２、原子炉圧力容器３、生体遮蔽壁４、上部ドライウェル５、下部ドライウェル６、ウェットウェル７、ベント管８、サプレッションプール９、主蒸気管１１、安全弁１２、および真空破壊弁１３である。

水素処理装置５０は、例えば、原子炉格納容器１と供給配管５１および戻り配管５２を介して連結される。また、供給配管５１には水素除去処理される雰囲気ガス（被処理ガス）１５を水素処理装置５０内に導くと共に水素処理装置５０内で水素除去処理後の雰囲気ガス（以下、「処理済ガス」と称する。）１６を水素処理装置５０外へ送出するポンプ５３が設けられる。

さらに、供給配管５１および戻り配管５２には、それぞれ、流路の開閉状態を切り替える開閉弁５４が設けられる。開閉弁５４は、水素除去が不要な場合、すなわち、原子炉が通常に運用されている場合には閉じており、Ｍｅｔａｌ−Ｗａｔｅｒ反応によって大量の水素が発生する事象が生じた場合等、水素処理装置５０を稼動させる必要が生じた場合に開かれる。

図２は水素処理装置５０の構成例を示す概略図である。
水素処理装置５０は、水素除去手段として、供給配管５１および戻り配管５２と連結される筐体５５内に反応材モジュール６０を具備する。

また、反応材モジュール６０は、反応材を通気可能に収容し、各々が独立した１個の流路を形成する反応材収容体６２を複数個備えており、ガス流入側（図２において下側）とガス流出側（図２において上側）には、それぞれ、筐体５５内で反応材収容体６２を支持する下部支持板６３および上部支持板６４が設けられる。

下部支持板６３および上部支持板６４は、例えば、筐体５５の側壁の内周面と接する複数の貫通孔が設けられた多孔板であり、各貫通孔の箇所に反応材収容体６２が配設される。また、各反応材収容体６２と下部支持板６３（各貫通孔）との間は適宜シール部材が取り付けられる。従って、筐体５５の内部に導入される被処理ガス１５は、漏れなく反応材モジュール６０（より詳細には反応材収容体６２）の内部に導入される。

上部支持板６４は、下部支持板６３と同様の多孔板であるが、各貫通孔には、各反応材収容体６２が加熱されて熱膨張した際に、熱膨張を逃がせるようクリアランス（隙間）が設定されている。

続いて、反応材モジュール６０の反応材収容体６２について、さらに詳しく説明する。

図３は水素処理装置５０が具備する反応材モジュール６０（図２）の反応材収容体６２の構成例を示す概略図である。

また、図４は水素処理装置５０に適用し得る反応材と、反応速度、酸素遊離の有無、および反応時の発熱量（水素ガス１ｋｇを処理するに当たり発生する熱量ＭＪ）との関係を示す説明図（表）である。なお、図４に示される記号「×」、「○」および「◎」は、水素との反応速度を表しており、それぞれ、「遅い」、「普通」および「速い」ことを示す。また、「−」は酸素遊離が生じない（酸素非遊離性の物質である）ことを示す。

反応材収容体６２は、例えば、管状の収容容器６２ａ内に水素と反応する複数の反応層を有する反応部６６（例えば、第１，２，３の反応材）が収容され、上面と下面とを通気可能な蓋６２ｂが取り付けられて構成される。水素処理装置５０において、反応材収容体６２は、下面を流入口とし上面を流出口とする１個の流路を形成する。

また、反応材収容体６２の内部に収容される反応部６６は、例えば、３層等の複数の反応層を有し、流入口側（図３において下側）から流出口側（図３において上側）に向かって順に、第１の反応材で形成される第１の反応層６６ａと、第２の反応材で形成される第２の反応層６６ｂと、第３の反応材で形成される第３の反応層６６ｃとが層状に収容される。すなわち、反応部６６は、ガスの通気方向（収容容器６２ａの軸方向）に積層した多層構造に構成される。

反応材収容体６２の内部に収容される反応部６６を多層化するため、収容容器６２ａ内には、ガスの通気方向（収容容器６２ａの軸方向）に対して、少なくとも１個の通気可能な仕切部６８が設けられる。図３に例示される反応材収容体６２では、例えば、多孔板、網目等で構成された通気可能な仕切部６８が２個設けられる。仕切部６８を設けることによって、反応材収容体６２の内部では仕切部６８が各反応層の境界を形成し、反応部６６が多層状に維持される。なお、反応部６６が多層状に構成されるのは、各反応層６６ａ，６６ｂ，６６ｃで役割（機能）を分担するためである。

図５は、水素処理装置５０（図１，２）に適用し得る反応材と反応速度との関係を示す説明図（グラフ）である。

図５に示されるように、水素と金属酸化物中の酸素と水素とが再結合する再結合反応の速度は、常温では微少であるが、温度が上昇するにつれて２次関数的に上昇することが知られている。従って、常温付近で水素処理を行うよりも、常温よりも高い温度域で水素処理する方がより多くの水素を除去処理することができる点で有利である。

その一方で、再結合反応は一般に発熱反応であり、当該反応により生じる反応熱に起因する過剰な温度上昇は、構造物健全性の観点から好ましく無く、Ｍｎ系の酸化物を反応材として使用する場合には酸素の遊離を招き得る。従って、構造物健全性や酸素の遊離を防止する観点から、反応時の温度を必要以上に上昇させることは回避したい要請もある。

故に、水素処理装置５０では、早い段階で被処理ガス１５を昇温し、また、Ｍｎ系の酸化物が水素ガスと反応する際の反応温度が酸素遊離温度（約２８０℃）を超えないように、第１の反応層６６ａ、第２の反応層６６ｂ、および第３の反応層６６ｃを積層構造にした反応部６６が反応材収容体６２に収容されている。

図３に示される反応部６６を例に説明すれば、反応材収容体６２の一番上流側（図３において下側）に位置する第１の反応層６６ａとしての第１の反応材は、被処理ガス１５に含まれる水素と反応して水素を消費しつつ、被処理ガス１５を昇温する役割を担う。第１の反応層６６ａに続く第２の反応層６６ｂとしての第２の反応材は、昇温された被処理ガス１５に含まれる水素と反応して水素を消費しつつ、被処理ガス１５をさらに昇温する役割を担う。第２の反応層６６ｂに続く第３の反応層６６ｃとしての第３の反応材は、昇温された被処理ガス１５含まれる水素と反応して水素を消費しつつ、被処理ガス１５の過剰な加熱を抑える役割を担う。

各反応層に各々の役割を与える（機能を実現する）ため、反応部６６の第１の反応層６６ａは、例えば約２３０度以下の温度域（図３に示される低温域であり、図４に示される低温に相当）で反応速度が普通以上となる、反応熱を発生させる反応材、すなわち、低温度域で水素との反応が活性で反応熱を発生させる反応を用いて構成される。第１の反応層６６ａを形成する反応材の一例としては、二酸化マンガン（ＭｎＯ_２）等のＭｎ系の金属酸化物である。

なお、Ｍｎ系の金属酸化物は、前述したように、約２８０℃以上の環境下では酸素を遊離してしまうため、被処理ガス１５の流れ方向に対する第１の反応層６６ａの長さは、第１の反応層６６ａの最下流部での温度が酸素遊離温度（約２８０℃）に到達しない長さに設定する。

また、被処理ガス１５の流れ方向に対する第１の反応層６６ａの長さは、第１の反応層６６ａの最下流部での温度が、Ｍｎ系の金属酸化物の反応速度よりも速くなる（逆転する）他の反応材が選択可能な温度まで昇温できる長さに設定することが好ましい。例えば、図４に示される例では、約２３０℃以上になるとＭｎＯ_２の反応速度よりもＣｕＯの反応速度の方が速くなるため、第１の反応層６６ａの最下流部での温度が約２３０℃以上、かつ、酸素遊離温度（約２８０℃）に到達しない範囲となるように、被処理ガス１５の流れ方向に対する第１の反応層６６ａの長さを設定する。

第２の反応層６６ｂは、例えば約２３０度以上の温度域（図３に示される高温域であり、図４に示される高温に相当）で反応速度が普通以上であり、反応熱が第３の反応層６６ｃで生じる反応熱よりも高くなる反応材を用いて構成される。第２の反応層６６ｂを形成する反応材の一例としては、酸化銅（ＣｕＯ）等の銅（Ｃｕ）系の金属酸化物である。なお、第２の反応層６６ｂを形成する反応材は、第１の反応層６６ａを形成する反応材との関係では、高温域での反応速度が第１の反応層６６ａを形成する反応材の反応速度を上回る反応材であることが好ましい。

なお、被処理ガス１５の流れ方向に対する第２の反応層６６ｂの長さは、水素との反応時の温度が、収容容器６２ａ、仕切部６８、および蓋６２ｂを備える反応材収容体６２を含めた構造物健全性が維持される温度域となるように設定される。また、被処理ガス１５の流れ方向に対する第２の反応層６６ｂの長さは、水素との反応時の温度が第２の反応層６６ｂでの反応速度が第１の反応層６６ａでの反応速度よりも速くなる温度域となるように設定されることが好ましい。

第３の反応層６６ｃは、２３０度以上の温度域（図３に示される高温域であり、図４に示される高温に相当）で反応速度が普通以上であり、反応熱が第２の反応層６６ｂで生じる反応熱に対して低くなる反応材が用いられる。第３の反応層６６ｃを形成する反応材の一例としては、四酸化三コバルト（Ｃｏ_３Ｏ_４）等のコバルト（Ｃｏ）系の金属酸化物である。

なお、図３に例示される反応部６６の各反応層６６ａ，６６ｂ，６６ｃは、それぞれ、同じ（１種類の）金属酸化物で構成される場合の例であるが、必ずしも同じ金属酸化物で構成される場合に限定されない。各反応層６６ａ，６６ｂ，６６ｃは、各反応層６６ａ，６６ｂ，６６ｃの機能が維持される限り、すなわち、各反応層６６ａ，６６ｂ，６６ｃが担う役割が維持される限り、２種類以上の金属酸化物を混合して構成することもできる。

例えば、異なる２種類のＭｎ系金属酸化物を混合して第１の反応層６６ａを構成したり、異なる２種類のＣｕ系金属酸化物を混合して第２の反応層６６ｂを構成したり、異なる２種類のＣｏ系金属酸化物を混合して第３の反応層６６ｃを構成したり、Ｃｏ系金属酸化物にＣｕ系金属酸化物を混合して第３の反応層６６ｃを構成することもできる。

次に、図１に示される適用例における水素処理装置５０の作用、および水素処理装置５０を用いた水素処理方法について説明する。

図１に示される適用例に係る原子炉において、何らかの原因により、燃料被覆管の温度が上昇し、水蒸気と燃料被覆管材料であるジルコニウムとの間で反応（Ｍｅｔａｌ−Ｗａｔｅｒ反応）が生じて水素が発生すると、大量の蒸気とともに発生した水素が原子炉圧力容器３から漏洩する。Ｍｅｔａｌ−Ｗａｔｅｒ反応が始まり、原子炉圧力容器３から原子炉格納容器１内に多量の蒸気と水素とが漏れ出た直後のタイミングで水素処理装置５０を稼働させる。すなわち、通常時には閉じている開閉弁５４を開いてポンプ５３を起動させる。

水素処理装置５０においてポンプ５３が起動すると、供給配管５１、水素処理装置５０、戻り配管５２、および原子炉格納容器１内を循環する気流が生じる。ポンプ５３の軌道に伴い生じる気流によって、原子炉格納容器１内の雰囲気は、被処理ガス１５として供給配管５１を介して水素処理装置５０内に導入される。

水素処理装置５０内では、水素処理装置５０内に導入される被処理ガス１５が複数林立する反応材収容体６２内に流入する。反応材収容体６２内では、被処理ガス１５が反応部６６を通過し、その過程で被処理ガス１５に含まれる水素と反応部６６の反応材としての金属酸化物に含まれる酸素とが反応して水（水蒸気）が生成される。

従って、被処理ガス１５は、反応材収容体６２の内部を通過すると、反応材に含まれる酸素との反応で被処理ガス１５に含まれる水素が消費され、水素が除去された処理済ガス１６となって反応材収容体６２の外部へ流出する。

水素処理装置５０内の反応材収容体６２の外部へ流出した処理済ガス１６は、水素処理装置５０から戻り配管５２へ流入する。戻り配管５２へ流入した処理済ガス１６は、戻り配管５２を通って原子炉格納容器１の内部へ戻る。

図３に示される反応部６６を例にして、反応部６６内で生じる水素との反応をより詳細に説明する。

反応部６６は、被処理ガス１５の流れ方向に対して、複数の反応層である第１の反応層６６ａと、第２の反応層６６ｂと、第３の反応層６６ｃとが積層されている構造のため、反応部６６へ導かれる被処理ガス１５は、第１の反応層６６ａ、第２の反応層６６ｂおよび第３の反応層６６ｃと、順次通過する。被処理ガス１５に含まれる水素は、各反応層６６ａ，６６ｂ，６６ｃを形成する反応材としての金属酸化物の酸素と反応して水（水蒸気）となる。

第１の反応層６６ａは、低温域（図４に示される低温）での反応がより良好（図４において反応速度が「◎」）な二酸化マンガン（ＭｎＯ_２）を層状に形成した反応層であり、低温域の被処理ガス１５であっても被処理ガス１５に含まれる水素が消費される。また、ＭｎＯ_２が反応時に生じる熱量は、図４に示されるように、水素ガス１ｋｇを処理するに当たり熱量５４ＭＪ（ＭＪ／ｋｇ−Ｈ _２）を発生する。第１の反応層６６ａで生じた熱は、その大部分が被処理ガス１５とともに移送されるため、第１の反応層６６ａを通過する過程で水素が消費されるとともに昇温される。

なお、前述したように、第１の反応層６６ａの被処理ガス１５の流れ方向の長さは、第１の反応層６６ａの最下流部での温度が酸素遊離温度（約２８０℃）に到達しない長さに設定されているため、被処理ガス１５の温度は酸素遊離温度未満に抑えられる。

第１の反応層６６ａを通過した被処理ガス１５は、第１の反応層６６ａに続いて第２の反応層６６ｂに流入する。第２の反応層６６ｂは、高温域（図４に示される高温）での反応がより良好（図４において反応速度が「◎」）な酸化銅（ＣｕＯ）を層状に形成した反応層であり、第１の反応層６６ａを通過して理想的には高温域の温度にまで昇温された被処理ガス１５に含まれる水素が消費される。

また、図４に示されるように、第２の反応層６６ｂを形成するＣｕＯは、水素ガス１ｋｇを処理するに当たり熱量４５ｋＪを発生する。第２の反応層６６ｂで生じた熱は、大部分が被処理ガス１５とともに移送されるため、被処理ガス１５はさらに熱量を吸収することになるが、前述したように、水素との反応時の温度が、反応材収容体６２を含めた構造健全性が維持される温度域となるように被処理ガス１５の流れ方向に対する第２の反応層６６ｂの長さが設定されるため、過剰な温度上昇は回避される。

なお、第２の反応層６６ｂで生じる熱は、大部分が被処理ガス１５とともに移送されるため、第２の反応層６６ｂで生じる熱が仕切部６８を介して第１の反応層６６ａへ伝導する熱はごく僅かであり、第１の反応層６６ａの温度を上昇させることはない。従って、第２の反応層６６ｂが発熱したとしても、第１の反応層６６ａの最下流部での温度が酸素遊離温度（約２８０℃）に到達していない場合には、第１の反応層６６ａが酸素遊離温度に到達することはなく第１の反応層６６ａで生じ得る酸素遊離は抑制される。

第２の反応層６６ｂを通過した被処理ガス１５は、第２の反応層６６ｂに続いて第３の反応層６６ｃに流入する。第３の反応層６６ｃは、高温域（図４に示される高温）での反応が良好（図４において反応速度が「○」）な四酸化三コバルト（Ｃｏ_３Ｏ_４）を層状に形成した反応層であり、第２の反応層６６ｂで生じる反応熱が小さい反応層である。

図４に示されるように、第３の反応層６６ｃを形成するＣｏ_３Ｏ_４の発熱量は８ｋＪ／ｋｇであり、ＣｕＯの発熱量４５ｋＪ／ｋｇに対して約１８％と１／５未満である。故に、被処理ガス１５の流れ方向に対して、第３の反応層６６ｃの長さを第２の反応層６６ｂの長さよりも長く（第２の反応層６６ｂの長さを第３の反応層６６ｃの長さよりも短く）形成することで、反応部６６のピーク温度を抑えつつ水素を効率良く処理することができる。

以上、水素処理装置５０によれば、被処理ガス１５が低温であっても、反応材収容体６２を通過する過程で昇温されるため、反応速度を速めることができ、被処理ガス１５に含まれる水素をスムーズに処理することができる。

水素処理装置５０では、水素と反応させる反応部６６が被処理ガス１５の流れ方向に対して複数の反応層が積層した構成となっており、反応部６６の最も入口側（被処理ガス１５の流れ方向を基準とする最上流側）に低温での水素との反応が良好なＭｎ系の金属酸化物が配置されているので、被処理ガス１５が低温であっても、反応材収容体６２を通過する初期過程から昇温することができる。従って、水素処理装置５０は、被処理ガス１５が反応材収容体６２を通過する初期過程から反応速度を速めることができ、被処理ガス１５に含まれる水素をスムーズに処理することができる。

また、水素処理装置５０では、Ｍｎ系の金属酸化物を配置した部分の被処理ガス１５の流れ方向に対する長さを制約することで、Ｍｎ系の金属酸化物が酸素遊離温度（約２８０℃）以上になると生じる酸素遊離を抑止することができ、Ｍｎ系の金属酸化物で生じ得る酸素遊離を抑えつつ被処理ガス１５に含まれる水素をスムーズに処理することができる。

また、水素処理装置５０によれば、反応部６６として、Ｍｎ系の金属酸化物を配置した部分の被処理ガス１５の流れ方向に対する下流側に高温域（約２３０℃以上の温度域）での反応速度が普通以上（図４において反応速度が「○」か「◎」）であり、酸素を遊離しない（酸素非遊離性の）Ｃｕ系の金属酸化物やＣｏ系の金属酸化物を配置することで、Ｍｎ系の金属酸化物では酸素を遊離させてしまう酸素遊離温度（約２８０℃）以上の環境下においても酸素遊離を抑止することができる。

さらに、水素処理装置５０によれば、反応部６６の構成を、被処理ガス１５の流れ方向の上流側から、Ｍｎ系の金属酸化物を配置した部分、Ｃｕ系の金属酸化物を配置し部分、Ｃｏ系の金属酸化物を配置した部分の順番で設けることで、反応部６６のピーク温度を水素との反応が良好な高温度域の範囲内、かつ構造物の健全性を維持可能な範囲内に抑えることができ、水素処理の効率をほとんど低下させることなく、反応材収容体６２の健全性が失われるような過剰な温度上昇を回避することができる。

なお、本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階では、上述した実施例以外にも様々な形態で実施することが可能である。本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、追加、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…原子炉格納容器、２…炉心、３…原子炉圧力容器、４…生体遮蔽壁、５…上部ドライウェル、６…下部ドライウェル、７…ウェットウェル、８…ベント管、９…サプレッションプール、１１…主蒸気管、１２…安全弁、１３…真空破壊弁、１５…被処理ガス、１６…処理済ガス、５０…水素処理装置、５１…供給配管、５２…戻り配管、５３…ポンプ、５４…開閉弁、５５…筐体、６０…反応材モジュール、６２…反応材収容体、６２ａ…収容容器、６２ｂ…蓋、６３…下部支持板、６４…上部支持板、６６…反応部、６６ａ…第１の反応層、６６ｂ…第２の反応層、６６ｃ…第３の反応層、６８…仕切部。

Claims

水素と自身に含まれる酸素とを反応させて水素を酸化させる金属酸化物で形成される少なくとも二つの反応層を備え、導入されたガスが、前記二つの反応層の一方であって前記ガスの流れに対して上流側に位置する第１の反応層を通過し、その後に前記二つの反応層の他方であって前記第１の反応層の下流側に隣接する下流側反応層を通過する際に、前記ガスに含まれる水素を酸化させて除去する水素処理装置であって、
前記第１の反応層は、前記金属酸化物として、低温度域で水素との反応が活性で反応熱を発生させる第１金属酸化物を有し、
前記下流側反応層は、前記金属酸化物として、前記低温度域における水素との反応速度よりも、前記低温度域より高い所定範囲の温度域である高温度域における水素との反応速度が高い第２金属酸化物を有することを特徴とする水素処理装置。
前記下流側反応層は、前記ガスの流れに対して前記第１の反応層の下流側に隣接する第２の反応層と、前記第２の反応層の下流側に隣接し、前記第２の反応層よりも水素と反応する際に生じる反応熱が低い第３の反応層とを有することを特徴とする請求項１記載の水素処理装置。
前記第２の反応層の前記ガスの流れ方向の長さは、前記第３の反応層の前記ガスの流れ方向の長さよりも短く構成されることを特徴とする請求項２記載の水素処理装置。
前記第２の反応層は、銅系の金属酸化物を含んで形成されることを特徴とする請求項２または３記載の水素処理装置。
前記銅系の金属酸化物は、ＣｕＯであることを特徴とする請求項４記載の水素処理装置。
前記第３の反応層は、コバルト系の金属酸化物を含んで形成されることを特徴とする請求項２から５の何れか１項に記載の水素処理装置。
前記コバルト系の金属酸化物は、Ｃｏ_３Ｏ_４であることを特徴とする請求項６記載の水素処理装置。
前記第１の反応層は、マンガン系の金属酸化物を含んで形成されることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の水素処理装置。
前記マンガン系の金属酸化物は、ＭｎＯ_２であることを特徴とする請求項８記載の水素処理装置。
前記第１の反応層の前記ガスの流れ方向に対する長さは、前記第１の反応層の前記ガスの流れ方向に対する最下流部での温度が酸素遊離温度以下となるように設定されることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の水素処理装置。