JPS582255B2 - 不純物捕集装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は不純物の捕集装置に関し、特に放射性の不純物
として主要なセシウムをも効果的に捕集できる不純物捕
集装置に関するものである。

ナトリウム冷却高速炉のナトリウム中不純物捕集装置と
して使用されているコールドトラップを例にとって、従
来技術およびその問題点等について略述すると次の如く
である。

周知のようにコールドトラップの原理は、ナトリウムの
温度を下げることにより溶解している不純物の過飽和分
を析出させ、これを沈降または固体壁表面に付着させて
捕集するものであり、主は捕集対象となっているのはナ
トリウムの酸化物や水酸化物等である。

その構造は、例えば第１図に示すように、外容器１の中
に充填物２を充填した内筒３を収納し、外側に冷却筒４
をかぶせた如くなっており、充填物２はステンレス鋼製
のメッシュで、下部が粗く、上部が密になっている。

外容器１と内筒３との間の円周部には環状隙間５が、ま
た底の部分には底部プレナム６がそれぞれ形成されてい
る。

不純物を含むナトリウムは入口ノズル７より導入され、
環状隙間を下向きに流れて底部プレナムに至る間冷却ガ
ス人口９から冷却ガス出口１０へと流通する冷却ガスに
より外容器１の外側から冷却されて温度が下がる。

したがって、ナトリウム中の不純物の過飽和分はこの間
に析出する。

析出した不純物のあるものは粒子状に成長し、他の不純
物の一部を付着して、ナトリウムが底部プレナム６で矢
印のように下向きから上向きに変る時、重力ならびに慣
性力により底部プレナム６の底に沈降し、また、上向き
のナトリウム流に乗った不純物は充填物２の細かい隙間
をぬって上昇する間にそれらの表面に付着する。

不純物が除去されたナトリウムは出口ノズル８から元の
冷却系に戻される。

このようにして、コールドトラップ内に捕集された不純
物の量は、一般に、充填物の下部（流入側）で薄い層状
に集中的に捕集される傾向にある。

例えば米国エンリコフエルミ炉の場合、酸素は第２図の
ように分布していたと報告されている。

ところで、ナトリウム冷却高速炉の一次冷却系に注目し
た場合、機器の保守・点検等の作業に支障をきたす主因
は、ナトリウム自身の放射化物を含むナトリウム中の放
射性不純物による放射線量が高いことである。

この放射性不純物の中でも特に生成量が多く、長半減期
の核種が問題となる。

放射性腐食生成物としてはコバルト６０、コバルト５８
、マンガン５４等があり、燃料被覆管の一部損傷により
放出される放射性核分裂生成物としてはセシウム１３７
がある。

これらの放射性不純物の一次冷却系における挙動に関し
て、数多くの研究が行なわれている。

セシウム１３７の場合、ナトリウムと同属のアルカリ金
属物質であることから、ナトリウム中に良く溶け込んで
おり、ステンレス鋼面に発熱吸着することが知られてい
る。

したがって、冷却系のうちで最低温部となるコールドト
ラップに最も良く吸着するから、従来の装置でもある程
度はセシウム１３７が吸着される。

しかし、その捕集量は冷却系中の全量に比べて極く僅か
であり、上述したようにナトリウム中に溶け込み易いか
ら、系全体に分散している量が極めて多い。

更は、セシウムはナトリウムよりも蒸発し易い性質を有
するから、冷却系でカバーガスを保有する場所（例えば
、炉容器、オーバーフロータンク、機械式ポンプ、中間
熱交換器等）のカバーガス系にも移行して、カバーガス
系の保守・点検作業に支障を々たしたり、クリプトンや
キセノン等希ガスの回収装置の性能に障害を及ぼす。

言うまでも続く、保守・点検作業の困難さは、作業者に
対する安全性をおびやかす重大事であり，更に原子炉の
定常運転における稼動率を低下させ，経済性を低落させ
ることになる。

このため、セシウム１３７を強力に捕集し、ナトリウム
中の量を低くできる装置を開発することが強く望まれて
いるのが現状である。

従来のコールドトラップは、酸化物、水酸化物等を捕集
するのが主目的であって、セシウム１３７の吸着は副次
的効果であって極めて不充分である。

また、従来のナトリウム冷却系ではセシウム１３７の捕
集を目的とした装置は設置されていない。

本発明はかかる従来技術の実情に鑑みなされたものであ
って、その目的とするところは、特に放射性の不純物と
して主要なセシウムをも効果的に捕集できるような不純
物捕集装置を提供することにある。

即ち本発明は、セシウムがニッケルに吸着し易いこと、
低温であるほど、また吸着面が微視的に粗いものほど吸
着量が増大すること、という事実に着目してなされたも
のであって、内部に充填材が設けられ、上部に流体の流
出口を有する内筒と； 該内筒の外側に配置され、上部に流体の流入口を有し、
下部に底部プレナムを有する外容器と；該外容器の外側
に配置した冷却筒を有し、前記外容器内及び内筒内を流
通する流体を冷却するための冷却装置とを具備する原子
炉プラント内を循環している流体中の不純物を捕集する
装置において、前記内筒内部に設けられた充填材は、流
体の上流側に位置するステンレス鋼製充填物と、下流側
に位置する金属チップ充填物を収納したメッシュバスケ
ットからなり、該金属チップ充填物は金属表面に無光沢
ニッケルメッキを施し表面に微細な凹凸を有する多孔性
の薄いニッケル層を有するものからなることを特徴とす
る不純物捕集装置である。

以下本発明について更に詳しく説明する。

第３図はナトリウム中に溶け込んでいるセシウムの金属
表面への吸着量が温度によってどのように変化するか、
また金属の材質および表面処理によってどう変化するか
を調べた実験結果の一例である。

同図から、セシウムは同材質であっても温度の低いほど
吸着量が増加し、ステンレス鋼に比べてニッケルは１０
倍以上吸着量が多いことが判る。

また、ステンレス鋼の例にみられるように、表面を研摩
した場合は吸着量が低下している。

これは、金属の表面には微視的な凹凸があり、原子状物
質の吸着に寄与する真の表面積が研摩処理により減少す
るからである。

従って、逆１こ伺らかの方法で表面に微細な（ミクロン
オーダーの）凹凸が多数形成されるような加工を施すこ
とによって、有効な吸着表面積を著しく拡大し、吸着能
力を増大できるものと考えら些る。

第４図はかかる捕集原理を利用した本発明の一実施例の
説明図である。

この実施例は、ナトリウム純化用のコールドトラップに
セシウム捕集機能を持たせたものである。

装置全体の構成は従来のコールドトラップのものとほぼ
同様である。

則ち、上面側方にナトリウム流入口１７を、また上面中
央にナトリウム流出口１８をそれぞれ設けた外容器１１
の中に、充填物１２を有する内筒１３を収納し、外側に
冷却筒１４をかぶせた如くなっている。

該冷却筒１４の下端には冷却ガス入口１９が、また上方
には冷却ガス出口２０がそれぞれ設けられ、冷却ガスが
流通するようになっていて、冷却装置を構成する。

外容器１１と内筒１３との間の円周部には環状隙間１５
が、また底の部分には底部プレナム１６がそれぞれ形成
されている。

ここで、充填物１２は二段構成となっており、下側（流
入側）は従来同様のステンレス鋼製メッシュ充填物２１
であり、その上方（流出側）はステンレス鋼金網製のバ
スケット２２にチップ充填物２３を収納したものである
。

ここで、チップ充填物２３は、フエライト鋼の表面に無
光沢のニッケルメッキを施したものである。

無光沢のニッケルメッキはポアーと呼ばれる微小孔によ
って表面が多孔性となっている。

そのポアーの形成要因は、ニッケルの析出がわずかばか
り中止されるためである。

この無光沢のニッケルメッキに関しては、メッキ液が５
０℃以下である場合、硫酸ニッケル濃度が２００〜２
６ ０ ｇ１ｌ以上の場合、電導度改良のために用いる
硫酸ナトリウムを添加した場合等にポアーが増大するこ
と、また逆にメッキ層の厚さが２０μｍ以上になるとポ
アーが減少することが明らかにされている。

更に、ニッケルメッキ液中に不溶性の非電導性の微粉末
（０．１〜３μｍの酸化物、珪化物、炭化物等）を混合
してメッキ面にニッケルを析出させるやり方もある。

この実施例で用いる金属チツプ２３は、かかる技術を駆
使してフエライト鋼表面に多孔性の薄いニッケル層を形
成してある。

微小孔の数はおよそ１０８個／ｃｍ程度以上期待できる
。

このようなコールドトラップの動作について説明すると
次の如くである。

セシウム１３７および他の不純物（酸素等）を含むナト
リウムは、ナトリウム流入口１７から環状隙間部１５に
導入され、底部プレナム１６に至る間に冷却装置によっ
て冷却される。

析出した酸化物、水酸化物等の粒子状不純物は底部プレ
ナム１６に沈降し、一部は充填物１２の下部に流入する
。

ところが、第２図に示したように、これら粒子状不純物
は下方のステンレス鋼製のメッシュ充填層２１に効果的
に捕集されるので、下流側に位置しているチップ充填物
２３の層内には多く至らず、該チップ充填物２３の表面
がこれら粒子状不純物によって覆われてしまう虞れは少
ない。

原子状（化合物の形態をとっていない状態）でナトリウ
ム中に存在するとみられるセシウムは、表面が微視的に
凹凸のニッケルにより効果的に吸着捕集される。

このとき、もしヨウ素やバリウム、マンガン、コバルト
等が混入していれば、それらも吸着される。

かくして、純化精製されたナトリウムは、ナトリウム流
出口１８を通ってナトリウムループに戻される。

上記実施例のコールドトラップを従来のものと比較する
と、酸化物や水酸化物の捕集効果は全く変らず、みかけ
の表面積を同等とした場合、表面をニッケルにしたため
に１０倍以上（第２図参照）、そして表面を多孔性に加
工したので吸着に寄与する真の表面積を数倍することに
なり、結局セシウム捕集能力は数十倍高められることに
なる。

また、上記実施例ではセシウムを含有する流体が液体ナ
トリウムの場合であるが、本発明はそれ以外の場合にも
適用できる。

例えば、カバーガス系に設置されているナトリウムペー
パートラップの充填物として、従来用いられていたステ
ンレス鋼製充填物の代りに、少なくとも表面がニッケル
からなり、しかも微細な凹凸を有するものを使用すれば
、蒸発したセシウム１３７を効果的に捕集することがで
きる。

更に本発明は、流体が軽水冷却材である場合にも適用可
能である。

本発明は上記のように構成された不純物捕集装置である
から、流体中に含まれているセシウム１３７を大量に捕
集することができ、放射線量率が低下し、保守・点検作
業をより安全に能率よく行なうことができ、原子炉の稼
動率を上げ、経済性を高めることができるなど顕著な効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のコールドトラップの説明図、第２図はコ
ールドトラップに捕集された酸素量の分布の一例を示す
グラフ、第３図はナトリウム中のセシウムの吸着性の比
較実験結果の一例を示すグラフ、第４図は本発明を適用
したコールドトラップの説明図である。 １１・・・・・・外容器、１２・・・・・・充填物、１
３・・・・・・内筒、１４・・・・・・冷却筒、１７・
・・・・・ナトリウム流入口、１８・・・・・・ナトリ
ウム流出口、２３・・曲チップ充填物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部に充填材が設けられ、上部に流体の流出口を有
   する内筒と； 該内筒の外側に配置され、上蔀に流体の流入口を有し、
   下部に底部プレナムを有する外容器と；該外容器の外側
   に配置した冷却筒を有し、前記外容器内及び内筒内を流
   通する流体を冷却するための冷却装置とを具備する原子
   炉プラント内を循環している流体中の不純物を捕集する
   装置であって、前記内筒内部に設けられた充填材は、流
   体の上流側に位置するステンレス鋼製充填物と、下流側
   に位置する金属チップ充填物を収納したメッシュバスケ
   ットからなり、該金属チップ充填物は金属表面に無光沢
   ニッケルメッキを施し表面に微細な凹凸を有する多孔性
   の薄いニッケル層を有するものからなることを特徴とす
   る不純物捕集装置。 ２ 流体が原子炉プラント内を循環する液体金属冷却材
   である特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３ 流体が原子炉プラント内を循環しているカバーガス
   である特許請求の範囲第１項記載の装置。