JP6528244B2

JP6528244B2 - 水素処理装置および水素処理方法

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Publication number: JP6528244B2
Application number: JP2015198581A
Authority: JP
Inventors: 敏浩吉井; 大悟橘高; 基茂柳生; 雅人岡村; 重広味森; 雅士田邊
Original assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2035-10-06
Also published as: JP2017072445A

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および水素処理方法に関する。

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。

放出された原子炉一次冷却材は、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。

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が防止される。

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）、テクネチウム（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。

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において、反応材の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ことに鑑み、例えば、銅（Ｃｕ）の酸化物が選択されることがある。

しかしながら、Ｃｕの酸化物は、例えば、約２３０度未満の温度域である低温域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。そこで、低温域での反応速度の低さを補うために、低温域で水素との反応が良好な材料としてマンガン（Ｍｎ）系の酸化物が併用される場合がある。

ところが、Ｍｎ系の酸化物には、Ｃｕの酸化物にはない、約２８０度（℃）以上の温度域で酸素を遊離する性質がある。反応材で酸素の遊離が生じてしまうと、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、低温域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、酸素の遊離を如何に抑制するかについて十分に検討する必要がある。

また、処理材（反応材）が水素と反応し、水素が酸化して水となる際には、反応熱が生じるため、処理材を封入した容器自体の温度が上昇する。反応材として選択され得る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の温度が高くなる性質があるため、処理材を封入した容器自体の温度がより高くなりやすい。このような処理材を封入した容器の温度上昇は、当該容器の構造安全性を低下させ得るため、極力回避したい。

さらに、容器に封入される処理材（反応材）をより効率的に使用するためには、処理材と反応させる被処理ガスが容器内に流入する処理材（反応材）を配置しておくとともに、当該流入口から急峻に温度を上昇させることが好ましい。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、装置内で生じる反応熱に起因する熱損傷をより低減可能とでき、あるいは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水素処理装置および水素処理方法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、導入されたガスが水素と反応する反応材で構成される反応部を通過することで前記ガスに含まれる水素を除去する水素処理装置であって、前記反応部は、前記ガスが通過する方向に垂直な断面の面積が、流入口の側から流出口の側へ向かって縮小するように構成され、さらに前記反応部は、前記ガスが通過する収容容器と、前記収容容器の内部に設けられ、前記収容容器の前記ガスが通過する方向に垂直な断面の面積を前記流入口の側から前記流出口の側に向かって縮小させる断面積調整体と、を備え、前記反応材が、前記収容容器と前記断面積調整体との隙間に収容されることを特徴とする。
さらに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、導入されたガスが水素と反応する反応材で構成される反応部を通過することで前記ガスに含まれる水素を除去する水素処理装置であって、前記反応部は、前記ガスが通過する方向に垂直な断面の面積が、流入口の側から流出口の側へ向かって縮小するように構成され、らに前記反応部は、前記反応材を収容するとともに前記ガスが通過する収容容器を備え、前記収容容器の壁面の厚さは、前記ガスの前記流入口の側から前記流出口の側へ向かって大きくなるように構成されることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る水素処理方法は、上述した課題を解決するため、導入されたガスが水素と反応する反応材で構成される反応部を通過することで前記ガスに含まれる水素を除去する水素処理装置を用いた水素処理方法であって、前記ガスが通過する方向に垂直な断面の面積が流入口の側から流出口の側へ向かって縮小するように構成される前記反応部の内部に前記ガスを通気させ、記反応部は、前記ガスが通過する収容容器と、前記収容容器の内部に設けられ、前記収容容器の前記ガスが通過する方向に垂直な断面の面積を前記流入口の側から前記流出口の側に向かって縮小させる断面積調整体と、を備え、前記反応材が、前記収容容器と前記断面積調整体との隙間に収容されることを特徴とする。
さらに実施形態に係る水素処理方法は、上述した課題を解決するため、導入されたガスが水素と反応する反応材で構成される反応部を通過することで前記ガスに含まれる水素を除去する水素処理装置を用いた水素処理方法であって、前記ガスが通過する方向に垂直な断面の面積が流入口の側から流出口の側へ向かって縮小するように構成される前記反応部の内部に前記ガスを通気させ、前記反応部は、前記反応材を収容するとともに前記ガスが通過する収容容器を備え、前記収容容器の壁面の厚さは、前記ガスの前記流入口の側から前記流出口の側へ向かって大きくなるように構成されることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、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。本発明の第１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との関係を示す説明図（グラフ）。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を収容した反応収容体の入口からの長さとの関係を示す説明図（グラフ）。本発明の第２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であり、（Ａ）が反応材収容体の縦断面図、（Ｂ）がＶＩＢ−ＶＩＢ断面図。本発明の第３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。

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。

なお、第１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５０Ａ、および後述する第２および第３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５０Ｂおよび５０Ｃの実質的な相違は、水素除去手段として具備する反応材モジュール（より詳細には反応材収容体）の構成の相違であり、その他の点については実質的な相違はない。そこで、説明の重複を回避し簡略化する観点等から、以下の説明では、各実施形態間で実質的に相違しない構成については、末尾のＡ，Ｂ，Ｃの符号を適宜省略して説明している。

[第１の実施形態]
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（５０Ａ〜５０Ｃ）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。

また、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（５０Ａ〜５０Ｃ）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（５０Ａ〜５０Ｃ）の構成例を示す概略図である。
水素処理装置５０（５０Ａ〜５０Ｃ）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（６０Ａ〜６０Ｃ）を具備する。

反応材モジュール６０（６０Ａ〜６０Ｃ）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７０（７０Ａ〜７０Ｃ）を複数個備えており、反応材モジュール６０内のガス流入側（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７０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、各貫通孔の箇所に管状の反応材収容体７０が配設される。また、各反応材収容体７０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７０）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７０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。

反応材収容体７０は、管状の収容容器の両端面（上面および下面）に通気可能な蓋が取り付けられており、内部に水素と反応する反応材が収容されている。水素処理装置５０において、反応材収容体７０は、下面を流入口とし上面を流出口とする１個の流路を形成し、水素との反応部を形成する。

なお、図２に例示される反応材収容体７０（７０Ａ〜７０Ｃ）は、円管状に構成されている例であるが、反応材収容体７０は、横断面が円形状となるものに限らず、矩形等の他の形状となる管状の構成でもよい。

続いて、水素処理装置５０Ａにおける反応材モジュール６０Ａの反応材収容体７０Ａについて、より詳細に説明する。

図３は、反応材モジュール６０Ａが備える反応材収容体７０Ａの構成例を示す概略図である。

反応材収容体７０Ａは、例えば、管状の収容容器７１の内部に水素と反応する反応材７２が収容されており、収容容器７１の両端面（上面および下面）に通気可能な蓋７３が取り付けられている。蓋７３は、反応材収容体７０Ａにおいて、下面を流入口とし上面を流出口とする一方向にガスが流れる流路を形成する。

また、反応材収容体７０Ａの収容容器７１内には、例えば、収容容器７１の管軸（すなわち、被処理ガスが通過する方向）と垂直方向の断面（横断面）の形状と同じ管軸および同じ横断面形状を有する錐台等の立体形状に形成され、中実（中空でない）の構造体である断面積調整体７５が、当該錐台の平行な二面のうち、面積の小さい面が流入口側（図３において下側）となる方向で配設される。

断面積調整体７５は、収容容器７１の横断面の断面積を流入口側から流出口側へ向かって縮小させる役割を担っており、例えば、金属等の水素と反応材７２との反応が活性化して反応材７２の温度が上昇しても溶融しない程度に高い融点を有し、かつ、熱伝導の良好な物質で構成される。

反応材収容体７０Ａでは、収容容器７１の内壁と収容容器７１内に配設される断面積調整体７５との間に形成される空間、すなわち、被処理ガス１５の流路に、反応材７２が収容（充填）される。水素処理装置５０Ａでは、収容容器７１、反応材７２、および断面積調整体７５によって水素と反応する反応部としての反応材収容体７０Ａが形成される。

なお、断面積調整体７５の形状は、反応材収容体７０Ａにおける被処理ガス１５の流路の横断面積を流入口側から流出口側へ向かって縮小させる立体形状であれば、錐台に限定されず、どのような立体形状でもよい。

このように、反応材収容体７０Ａ等の反応材収容体７０において、収容容器７１の横断面の断面積を流入口側から流出口側へ向かって縮小させているのは、一般に発熱反応である再結合反応によって生じる反応熱に起因する過剰な温度上昇や急激な温度上昇を抑制し、構造物健全性や酸素の遊離を防止するためである。

図４は水素処理装置５０（図１，２）に適用し得る反応材の温度と反応速度との関係（被処理ガスの通気する速度および断面積は一定）を示す説明図（グラフ）であり、図５は反応収容体の入口からの長さと反応材の温度との関係（被処理ガスの通気する速度および断面積は一定）を示す説明図（グラフ）である。

なお、図４および図５の説明図のどちらも、被処理ガスの通気条件は同じであることを前提としている。すなわち、図４および図５は、被処理ガスが単位時間あたりに通気する量（通気する速度および断面積）は同じである場合を想定した内容である。

反応材収容体７０（図３，６，７）の内部で生じる水素と金属酸化物中の酸素とが再結合する再結合反応の反応速度は、図４に示されるように、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や急激な温度上昇は、構造物健全性の観点から好ましくない。また、使用する反応材の種類によって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たり、急激に上昇させたりする事態を極力回避したい要請がある。

さらに、反応収容体７０（図３，６，７）の流入口からの長さと反応材の温度との関係は、図５に示されるように、入口側が最も低くから流出口側ほど高くなる。これは、反応材収容体７０の内部に導入された被処理ガス１５（図３，６，７）が、水素と酸素との再結合反応を生じさせて熱を発生させながら、その軸方向に流れていくためである。上述のように、過剰な温度上昇や急激な温度上昇は、構造物健全性の観点から好ましくないため、反応収容体７０（図３，６，７）の流出口側における温度上昇をなるべく小さく抑えたい要請がある。

上述した事情に鑑みて、水素処理装置５０（５０Ａ〜５０Ｃ）では、被処理ガス１５が通気する反応収容体７０（７０Ａ〜７０Ｃ）内の流路の断面積が流入口側から流出口側に向かうにつれて縮小するように構成されている。当該流路の構成により、反応収容体７０（７０Ａ〜７０Ｃ）は流入口から流出口側へ向かうほど熱容量が大きくなり、かつ発生する反応熱の熱量が小さく抑えられている。

ここで、流入口から流出口側へ向かうほど熱容量が大きくなるのは、反応収容体７０Ａを、流路の断面積が流入口側から流出口側に向かうにつれて縮小するように構成することで、流出口側ほど被処理ガス１５が流れる面積（横断面積）は小さくなる結果、流出口側ほど被処理ガス１５の流速が速くなり、流出口側ほど単位時間あたりに反応材７２を通過する被処理ガス１５の量が多くなるためである。

また、流入口から流出口側へ向かうほど発生する反応熱の熱量が小さくなるのは、単位体積当たりの反応材７２の収容量が同じであっても、流路の断面積が流入口から流出口側へ向かうほど小さくなる結果、収容される反応材７２の量は流路の断面積と同様に減少するためである。

反応収容体７０（７０Ａ〜７０Ｃ）内の流路の断面積が流入口側から流出口側に向かうにつれて縮小するように構成することで、反応収容体７０（７０Ａ〜７０Ｃ）は流入口から流出口側へ向かうほど熱容量を大きく、かつ発生する反応熱の熱量を小さく抑えることができる。この結果、水素処理装置５０Ａでは、流入口から流出口側へ向かうほど温度上昇が小さくなり、反応収容体７０Ａ内での過剰な温度上昇や急激な温度上昇を回避し、反応熱に起因する水素処理装置５０Ａの熱損傷をより低減することができる。

また、水素処理装置５０Ａでは、反応収容体７０Ａの流入口付近は相対的に熱容量が小さく発熱量が多くなるので、流入口から急峻に温度を上昇させることができる。従って、被処理ガス１５が低温であっても被処理ガス１５に含まれる水素をスムーズに処理することができる。

さらに、反応収容体７０Ａの流入口から急峻に温度を上昇させることができるので、被処理ガス１５の温度を流入口付近から約２３０度以上にすることができ、約２３０度未満では他の金属酸化物よりも反応速度が速いものの酸素を遊離する性質があるＭｎ系の酸化物を反応材７２として使用しなくても十分な水素除去処理量を確保することができる。また、反応材７２としてＭｎ系の酸化物を使用する必要性を排除することができれば、酸素の遊離を如何に抑制するかについての検討が不要となるので、水素処理装置５０Ａの設計労力等を軽減することができる。

次に、図１に示される適用例における水素処理装置５０（５０Ａ〜５０Ｃ）の作用、および水素処理装置５０（５０Ａ〜５０Ｃ）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（５０Ａ〜５０Ｃ）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（５０Ａ〜５０Ｃ）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の起動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。

図２に例示されるように、水素処理装置５０内では、内部に導入される被処理ガス１５が、複数の反応材収容体７０（７０Ａ〜７０Ｃ）が林立する反応材モジュール６０（６０Ａ〜６０Ｃ）内に流入する。反応材モジュール６０内では、被処理ガス１５が通過し、その過程で被処理ガス１５に含まれる水素と反応材としての金属酸化物に含まれる酸素が反応して水（水蒸気）が生成される。

従って、被処理ガス１５は、反応材モジュール６０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７０（７０Ａ〜７０Ｃ）の外部へ流出する。

反応材収容体７０（７０Ａ〜７０Ｃ）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。

上述したように、水素処理装置５０Ａおよび水素処理装置５０Ａを用いた水素処理方法によれば、反応収容体７０Ａにおける収容容器７１の内部に断面積調整体７５が配設されており、反応収容体７０Ａの流路の断面積が流入口側から流出口側に向かうにつれて縮小するように反応収容体７０Ａが構成されているので、反応収容体７０Ａは流入口から流出口側へ向かうほど熱容量を大きく、かつ発生する反応熱の熱量を小さく抑えることができる。この結果、水素処理装置５０Ａでは、流入口から流出口側へ向かうほど温度上昇が小さくなり、反応収容体７０Ａ内での過剰な温度上昇や急激な温度上昇を回避し、内部で生じる反応熱に起因する水素処理装置５０Ａの熱損傷をより低減することができる。

また、水素処理装置５０Ａでは、反応収容体７０Ａの流入口付近は相対的に熱容量が小さく発熱量が多くなるので、流入口から急峻に温度を上昇させることができる。従って、水素処理装置５０Ａおよび水素処理装置５０Ａを用いた水素処理方法によれば、反応収容体７０Ａの流入口から急峻に温度を上昇させることができ、被処理ガス１５が低温であっても被処理ガス１５に含まれる水素をスムーズに処理することができる。

さらに、水素処理装置５０Ａおよび水素処理装置５０Ａを用いた水素処理方法によれば、反応収容体７０Ａの流入口から急峻に温度を上昇させることができるので、低温の反応領域が小さく反応速度の遅さによる水素処理量への悪影響を抑制することができる。すなわち、低温域（例えば、約２３０度未満の温度域）での反応速度の低さを補う必要はなく、Ｍｎ系の酸化物を反応材７２として使用しなくても十分な水素除去処理量を確保することができる。反応材７２としてＭｎ系の酸化物を使用する必要性を排除することができれば、酸素の遊離を如何に抑制するかについての検討が不要となるので、水素処理装置５０Ａの設計労力等を軽減することができる。

また、水素処理装置５０Ａでは、反応収容体７０Ａにおいて、収容容器７１内に断面積調整体７５が熱伝導の良好な中実の構造体であるので、反応材７２で生じる熱を分散させることができ、反応収容体７０Ａにおける熱的な偏りを小さくし、局部的な温度上昇を抑制することができる。

[第２の実施形態]
本発明の第２の実施形態に係る水素処理装置は、第１の実施形態に係る水素処理装置に対して、具備する水素除去手段の構成が相違する。すなわち、図２に例示されように、第２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５０Ｂは、水素処理装置５０Ａに対して、反応材収容体７０Ａを複数備える反応材モジュール６０Ａの代わりに、反応材収容体７０Ｂを複数備える反応材モジュール６０Ｂを具備する点で相違するが、その他の点では実質的に相違しない。そこで、本実施形態では、反応材収容体７０Ｂを中心に説明し、水素処理装置５０Ａと実質的に相違しない構成要素については同じ符号を付して重複する説明を省略する。

図６は、本発明の第２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５０Ｂが具備する水素除去手段としての反応材モジュール６０Ｂの反応材収容体７０Ｂの構成例を示す概略図であり、図６（Ａ）が反応材収容体７０Ｂの縦断面図、図６（Ｂ）が図６（Ａ）に示されるＶＩＢ−ＶＩＢ線を切断線とする切断面の断面図（ＶＩＢ−ＶＩＢ断面図）である。

反応材収容体７０Ｂは、反応材収容体７０Ａに対して、伝熱体としての伝熱フィン７６をさらに備えて構成されるが、その他の点については実質的に相違しない。伝熱フィン７６は、例えば、断面積調整体７５と同様に、金属等の水素と反応材７２との反応が活性化して反応材７２の温度が上昇しても溶融しない程度に高い融点を有し、かつ、熱伝導の良好な物質で構成され、反応材７２で発生した熱を反応材収容体７０Ｂの主に横方向に伝熱する役割を果たす。すなわち、伝熱フィン７６は、反応材収容体７０Ｂ内の横断面における温度分布を均一化する役割を果たす。

伝熱フィン７６は、反応材収容体７０Ｂ内において、例えば、所望の間隔をあけて、断面積調整体７５の側面に放射状に設置される。また、ガスの流れ方向（図６における縦方向）に対しては、反応材収容体７０Ｂのガスの流れ方向の長さ等を考慮して、所望の間隔をあけて設置される。

水素処理装置５０Ｂの作用および水素処理装置５０Ｂを用いた水素処理方法については、水素処理装置５０Ａの作用および水素処理装置５０Ａを用いた水素処理方法と同様である。すなわち、水素処理装置５０Ｂの作用および水素処理装置５０Ｂを用いた水素処理方法の説明は、水素処理装置５０Ａの作用および水素処理装置５０Ａを用いた水素処理方法の説明において、水素処理装置５０Ａ、反応材モジュール６０Ａおよび反応材収容体７０Ａを、水素処理装置５０Ｂ、反応材モジュール６０Ｂおよび反応材収容体７０Ｂと読み替えればよい。

上述したように、水素処理装置５０Ｂおよび水素処理装置５０Ｂを用いた水素処理方法によれば、水素処理装置５０Ａおよび水素処理装置５０Ａを用いた水素処理方法と同様の効果が得られる。すなわち、被処理ガス１５が低温であっても被処理ガス１５に含まれる水素をスムーズに処理し、内部で生じる反応熱に起因する熱損傷を従来よりも低減することができる。

また、水素処理装置５０Ｂでは、反応収容体７０Ｂが反応収容体７０Ａに対して、伝熱フィン７６をさらに備えているため、断面積調整体７５および伝熱フィン７６が反応材７２で生じる熱を分散させることができ、反応収容体７０Ｂにおける熱的な偏りを小さくし、局部的な温度上昇を抑制することができる。

[第３の実施形態]
本発明の第３実施形態に係る水素処理装置は、第１，２の実施形態に係る水素処理装置に対して、具備する水素除去手段の構成が相違する。すなわち、図２に例示されように、第３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５０Ｃは、例えば、水素処理装置５０Ａに対して、反応材収容体７０Ａを複数備える反応材モジュール６０Ａの代わりに、反応材収容体７０Ｃを複数備える反応材モジュール６０Ｃを具備する点で相違するが、その他の点では実質的に相違しない。そこで、本実施形態では、反応材収容体７０Ｃを中心に説明し、水素処理装置５０Ａと実質的に相違しない構成要素については同じ符号を付して重複する説明を省略する。

図７は、本発明の第３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５０Ｃが具備する反応材モジュール６０Ｃの反応材収容体７０Ｃの構成例を示す概略図である。

反応材収容体７０Ｃは、反応材収容体７０Ａに対して、収容容器７１および断面積調整体７５の代わりに、収容容器８１を備える点で相違するが、その他の点では実質的には相違しない。

収容容器８１は、壁の厚みが、流入口（図７において下側）から流出口（図７において上側）へ向かうにつれて厚みが増しており、反応材収容体７０Ｃにおいて、被処理ガス１５が通気する流路が流入口から流出口へ向けて狭くなるように構成される。すなわち、反応材収容体７０Ｃでは、収容容器８１が反応材収容体７０Ａにおける収容容器７１および断面積調整体７５の役割を果たしている。

なお、水素処理装置５０Ｃの作用および水素処理装置５０Ｃを用いた水素処理方法については、水素処理装置５０Ａの作用および水素処理装置５０Ａを用いた水素処理方法と同様である。すなわち、水素処理装置５０Ｃの作用および水素処理装置５０Ｃを用いた水素処理方法の説明は、水素処理装置５０Ａの作用および水素処理装置５０Ａを用いた水素処理方法の説明において、水素処理装置５０Ａ、反応材モジュール６０Ａおよび反応材収容体７０Ａを、水素処理装置５０Ｃ、反応材モジュール６０Ｃおよび反応材収容体７０Ｃと読み替えればよい。

上述したように、水素処理装置５０Ｃおよび水素処理装置５０Ｃを用いた水素処理方法によれば、水素処理装置５０Ａおよび水素処理装置５０Ａを用いた水素処理方法と同様の効果が得られる。すなわち、被処理ガス１５が低温であっても被処理ガス１５に含まれる水素をスムーズに処理し、装置内で生じる反応熱に起因する熱損傷を従来よりも低減することができる。

また、水素処理装置５０Ｃでは、反応材収容体７０Ｃに適用される収容容器８１が、反応材収容体７０Ａに適用される収容容器７１および断面積調整体７５の役割を果たすため、反応材収容体７０Ａよりも構成部品数が少ないよりシンプルな構成とすることができる。従って、水素処理装置５０Ｃについても、よりシンプルな構成とすることができる。

以上、水素処理装置５０（５０Ａ〜５０Ｃ）および水素処理装置５０を用いた水素処理方法によれば、反応収容体７０（７０Ａ〜７０Ｃ）の流入口から流出口側へ向かうほど温度上昇が小さくなり、反応収容体７０内での過剰な温度上昇や急激な温度上昇を回避し、反応熱に起因する水素処理装置５０の熱損傷をより低減することができる。

また、水素処理装置５０（５０Ａ〜５０Ｃ）および水素処理装置５０を用いた水素処理方法によれば、反応収容体７０（７０Ａ〜７０Ｃ）の流入口から急峻に温度を上昇させることができ、被処理ガス１５が低温であっても被処理ガス１５に含まれる水素をスムーズに処理することができる。

さらに、反応収容体７０の流入口付近から被処理ガス１５の温度を約２３０度以上にすることができるため、約２３０度未満での反応速度の遅さによる水素処理量への悪影響はほとんど生じない。従って、約２３０度未満での反応速度の遅さを補うことなく十分な水素除去処理量を確保することができる。

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（５０Ａ〜５０Ｃ）…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（６０Ａ〜６０Ｃ）…反応材モジュール、６３…下部支持板、６４…上部支持板、７０（７０Ａ〜７０Ｃ）…反応材収容体、７１，８１…収容容器、７２…反応材、７３…蓋、７５…断面積調整体、７６…伝熱フィン（伝熱体）。

Claims

導入されたガスが水素と反応する反応材で構成される反応部を通過することで前記ガスに含まれる水素を除去する水素処理装置であって、
前記反応部は、前記ガスが通過する方向に垂直な断面の面積が、流入口の側から流出口の側へ向かって縮小するように構成され、
さらに前記反応部は、
前記ガスが通過する収容容器と、
前記収容容器の内部に設けられ、前記収容容器の前記ガスが通過する方向に垂直な断面の面積を前記流入口の側から前記流出口の側に向かって縮小させる断面積調整体と、を備え、
前記反応材が、前記収容容器と前記断面積調整体との隙間に収容されることを特徴とする水素処理装置。
前記断面積調整体に取り付けられ、前記収容容器の前記ガスが通過する方向に垂直な断面の中心から放射状に延びる伝熱フィンをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の水素処理装置。
導入されたガスが水素と反応する反応材で構成される反応部を通過することで前記ガスに含まれる水素を除去する水素処理装置であって、
前記反応部は、前記ガスが通過する方向に垂直な断面の面積が、流入口の側から流出口の側へ向かって縮小するように構成され、
さらに前記反応部は、前記反応材を収容するとともに前記ガスが通過する収容容器を備え、
前記収容容器の壁面の厚さは、前記ガスの前記流入口の側から前記流出口の側へ向かって大きくなるように構成されることを特徴とする水素処理装置。
導入されたガスが水素と反応する反応材で構成される反応部を通過することで前記ガスに含まれる水素を除去する水素処理装置を用いた水素処理方法であって、
前記ガスが通過する方向に垂直な断面の面積が流入口の側から流出口の側へ向かって縮小するように構成される前記反応部の内部に前記ガスを通気させ、
前記反応部は、
前記ガスが通過する収容容器と、
前記収容容器の内部に設けられ、前記収容容器の前記ガスが通過する方向に垂直な断面の面積を前記流入口の側から前記流出口の側に向かって縮小させる断面積調整体と、を備え、
前記反応材が、前記収容容器と前記断面積調整体との隙間に収容されることを特徴とする水素処理方法。
導入されたガスが水素と反応する反応材で構成される反応部を通過することで前記ガスに含まれる水素を除去する水素処理装置を用いた水素処理方法であって、
前記ガスが通過する方向に垂直な断面の面積が流入口の側から流出口の側へ向かって縮小するように構成される前記反応部の内部に前記ガスを通気させ、
前記反応部は、前記反応材を収容するとともに前記ガスが通過する収容容器を備え、
前記収容容器の壁面の厚さは、前記ガスの前記流入口の側から前記流出口の側へ向かって大きくなるように構成されることを特徴とする水素処理方法。