JPS5848620B2 - 液体金属精製装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液体金属精製装置、特に、液体金属冷却高速
炉の１次および２次系の純化系の液体金属精製装置（コ
ールドトラップ）に関するものである。

例えば、ナトリウム冷却高速炉の１次および２次系の純
化系にはコールドトラップが設けられ、ナトリウム中の
不純物の捕獲を行ないナ｝ ＩＪウムの純化を行なって
いる。

第１図ａは、従来から用いられているコールドトラップ
の代表的な構造を示したものである。

このコールドトラップは、容器１、内管２および冷却管
３からなっており、容器１は、上部にナ｝ ＩＪウム流
人管４が設けられており、内管２は上部に容器１を貫通
するナトリウム流出管５を有し、下端部が開口しており
、その内部にはメッシュが充填された充填層６と上部プ
レナム７が設けられており、容器１と内管２との間には
環状間隙８が設けられ、容器１の底部、内管２の開口端
下部はナトＩＪウムの流れが反転するセトＩＪングチェ
ンバ９を構威している。

冷却管３は容器１の外側部及び底部を覆う如く構威され
、底部に冷却体人口１０が設けられ、上部に冷却体出口
１１が設けられている。

このような構造を有するコールドトラップにおいて、不
純物を含むナトリウムは、流入管４より容器１に入り、
環状間隙８を流れこの環状間隙８を下る間に冷却体で冷
却されセトリングチェンバ９に入る。

この過程で、ナトリウム中の不純物はナ｝ ＩＪウム温
度の低下により過飽和濃度分が析出する。

セトリングチェンバ９に入ったナトリウムは、ここで下
向から上向きに流路が反転するので質量の大きな析出不
純物粒子はセトリングチェンバ９の底に沈澱し、ナトリ
ウム中の不純物の一部が捕集される。

セｌ− ＩＪングチェンバ９で沈澱しなかった他の不純
物は、ナトリウムとともにセトリングチェンバ９から上
向きに流れ充填層６内に流入する。

充填層６の領域では、セトリングチェンバ９を通過した
不純物粒子の一部が、メッシュのフィルタ効果によりろ
過され、またあるものはメッシュ表面に析出し、ナトリ
ウム中の不純物が除去される。

このようにして純化されたナトリウムは上部プレナム７
に入り流出管５からコールドトラップ外に流出する。

以上のナトリウム純化過程におけるナトリウム温度の変
化を示したのが第１図ｂであり、この図の横軸は温度を
、縦軸はコールドトランプの高さ方向を示したものであ
り、Ｃは冷却体、Ｌはナトリウムの温度を示しており、
矢印は冷却体またはナトＩＪウムの流れの方向を示す。

すなわち、不純物を含む高温ナトリウムは、流入管４よ
り入り環状間隙８を下降する際冷却管３内を上向に流れ
る冷却体と熱交換して冷却される。

冷却されたナトリウムは、セトリングチェンバ９で流れ
方向が下降流から上昇流に変わり、メッシュの充填層６
を上昇する際、流入管４から流入する高温ナトリウムと
熱交換が行なわれる。

従って、第１図ｂのＬ線の示す如く、ナトリウム温度は
コールドトラップのセトリングチェンバ９のところで最
低となっても再び温度回復が行なわれナ｝ ＩＪウムは
流出管５に達する。

コールドトラップによる不純物の捕獲性能は、コールド
トラップ内の温度分布に大きく支配される。

すなわち、ナｌ− ＩＪウム中の不純物の除去に最も重
要なメッシュの充填層６において必要なことは、純化し
ようとするナトＩＪウムを望むべく純化温度にどの位長
く滞留させ得るかによっている。

しかし、第１図ａの構造では、同図ｂの示すように、最
低温度の領域が狭く、このため、コールドトラップの純
化性能は、ナトリウムの流出管５の出口温度に支配され
てしまう欠点がある。

すなわち、従来のコールドトラップでは、セトリングチ
ェンバ９の最低温度まで冷却したにもかかわらず、メッ
シュの充填層６で温度回復が起こり、セトリングチェン
バ９における温度と流出管５の出口温度との差分だけコ
ールドトラップの効率を低下させている。

これは、環状間隙８における冷却が急激に行なわれず第
１図ｂに示されているように徐々に冷却されているため
である。

従つて、コールドトラップにナトリウムが流入したなら
ば出来るかきりナトリウム温度を急激に低丁させること
により、環状間隙８を流れるナトリウムとメッシュの充
填層６を上昇するナトリウムとの熱交換を防ぎ、コール
ドトラップ、とくにメッシュの充填層６における温度分
布が一様になるコールドトラップが望まれている。

すなわち、コールドトラップにおける温度回復がなけれ
ば、コールドトラップにおける不純物の捕獲性能の向上
が期待できる。

なお、第２図は第１図とほほ同種のコールドトラップを
運転後に解体し、不純物の捕集状況を調べた結果を示す
もので、ナトリウム冷却高速炉のエンリコフエルミ炉（
ＥＦＦＢＲ） に使用され、約３７００時間運転後解
体したもので、捕集量の最も多い酸素について示したも
ので、酸素は主に酸化ナトリウム（Ｎａ２０）になって
いる。

横軸には酸素（重量％）、縦軸はナトＩＪウムの流れ方
向における位置を示している。

この図から、酸素はナトリウム流入側の充填層で集中的
に捕集されているのが分る。

水素（主に、ＮａＯＨ ， ＮａＨ，単体Ｈ２）、炭素
（単体Ｃ１金属化合物）、その他、マンガンニッケル、
鉄なども第２図とほぼ同様の分布を示した。

これらの結果から、充填層が不純物の捕集に効果を示す
のは、低温となったナ｝ ＩＪウムの流入側の薄い層だ
けであり、他の大部分は有効に利用されていないことが
わかる。

すなわち、不純物が流入側で集中的に捕集される結果、
ナ１・リウムの流路が狭小となり、コールドトラップの
閉塞障害を起こしている。

コールドトラップの閉塞は主に酸化物によるとみられ、
この酸化物を再酸解して流路を回復することは理論上は
可能であるが、実際問題としては、一度固形化した酸化
物は容易にナトリウム中に溶け込まないため、コールド
トラップの再生はかなり困難である。

特に、１次系の場合はコールドトラップに捕集される不
純物には放射性物質が含まれ、この放射線のために、機
器に近寄って作業することが極めて困難である。

これらのことから、コールドトラップの充填層の閉塞は
事実上コールドトラップの寿命であると考えられている
。

すなわち、従来のコールドトラップは、不純物の捕集に
対して有効でない充填層があり、このために コールド
トラップ本体が大型化している。

大型化しているため、プラントのスペース配分に負担を
かけており、特に、１次系の場合、放射線シールドが本
体の大型化に従って大きくなり、増増、スペースを必要
とするなどの欠点を有している。

このため、不純物を充填層中全領域に有効に捕集して、
コールドトラップをコンパクト化するとともに寿命を長
くすることも望まれている。

本発明は、コールドトラップの不純物捕獲性能の向上を
目的とするもので、液体金属流入口を有する外容器と、
この外容器内側部と一定間隙を介して配置され、一端開
口し、他端に液体金属流出口を有し、その内部に液体金
属中の不純物除去用の充填材を保持してなる内容器と、
外容器に設けられた冷却手段とを有する液体金属精製装
置において、充填材が上部に開口部を有するカップ状メ
ッシュ構造よりなり、外容器の液体金属流入口および内
容器の液体金属流出口が、それぞれ、外容器、内容器の
底部にもうけられ、液体金属流入口より外容器内に流入
した液体金属が外容器内側面と内容器外側面との形成す
る間隙を上昇したのち、内容器開口部より内容器に入り
カップ状メッシュ構造の充填材を通過して液体金属流出
口より流出するよう構或されていることを特徴とするも
のである。

すなわち、本発明は、コールドトラップ全体の温度分布
を一様にするために、不純物を含む液体金属をコールド
トラップの下部から流入させ上昇流とし、冷却体により
この液体金属の上昇流を冷却し、次に上昇流を下降流と
して充填材で不純物を除去するものである。

以下、実施例について説明する。

第３図ａは本発明の一実施例の構造を示すもので、第１
図と同一部分には同一符号が付してある。

この構造で第１図と異なる点は、容器１の液体金属流入
管４が容器１の底部に設けられ上部にガス抜き弁１２を
有する点、内管２の開口端が上部に位置し、液体金属流
出管５が内管２のａＢ ？こもうけられている点、およ
び内管２内の充填層６にカップ状のものを用いている点
てある。

図の矢印は液体金属の流れる方向を示している。

このような構造を有するコールドトラップにおいては、
不純物を含む液体金属は、液体金属流入管４よりコール
ドトラップに流入し、上昇流となって環状間隙８を流れ
る。

このとき、液体金属は冷却体人口１０より冷却体出口１
１へと流れる冷却体と熱交換して冷却される。

冷却された液体金属は、上部プレナム部７で流れの方向
を変え下降流となってメッシュの充填層６を下る。

このとき、液体金属が冷却されて過飽和濃度分の不純物
はメッシュ表面に析出したり、あるいは、大きな不純物
粒子はメッシュのろ過作用によりメッシュの充填層６内
で捕獲される。

第３図ｂは、この実施例のコールドトラップにおける温
度分布を示したもので、横軸には温度、縦軸にはコール
ドトラップの高さ方向がとってあり、Ｃ，Ｌはそれぞれ
、冷却体、液体金属の温度を示し、矢印はこれらの流れ
の方向を示している。

この図から明らかなように、環状間隙８において、高温
の液体金属が流入管４からコールドトラップに流入し冷
却されると、液体金属の流れ方向に対し、上部が低温で
下部が高温の状態となるため、自然対流が発生し、液体
金属の混合が行なわれる。

この混合の作用により液体金属の温度は均一となる。

また、この冷却方法では自然対流による混合が支配的で
あるためにコールドトラップ内温度は、冷却体出口温度
以下で冷却されることがなく、最も冷却されても冷却体
出口温度となる。

次に、液体金属の上昇流が下降流となってメッシュ充填
層６を下降するとき、環状間隙８の領域における温度分
布が均一であるため、従来例で示したように間隙部の温
度分布が内管２を通してメッシュ充填層６内の液体金属
と熱交換することがない。

このため、メッシュ充填層６における温度回復は起らす
メッシュ充填層６内の温度が環状間隙８の温度と同一と
なり、コールドトラップ全体が一様な温度分布となる。

コールドトラップ内の温度分布が一様となれば、液体金
属を所定の純化温度で長い時間コールドトラップ内に滞
留させることができ、それだけ不純物の析出が確実とな
る。

事実、コールドトラップにおける不純物の捕獲性能は低
流量で滞留時間が長くなればなる程向上するので、従来
例のようにメッシュの充填層６における温度回復の起る
ものに較べ不純物の捕獲性能が向上する。

また、本実施例の冷却方法では、液体金属の温度が冷却
体出口温度に漸近するためにコールドトラップ内の温度
は冷却体出口温度によって決定される。

従って、コールドトラップの温度制御は冷却休出口温度
を制御するだけでよく、従来例に較べて容易となる。

環状間隙８で冷却された液体金属が下降流となってメッ
シュの充填層６を下降するとき、第３図ａに示されてい
るカップ状メッシュよりなる充填層６を通過する。

このカップ状のメッシュよりなる充填層６は空間６１を
有し、水平部６２、垂直部６３とからなっている。

このカップ状のメッシュの充填層６では、液体金属の流
れが空間６１を通り、さらにメッシュの水平部６２を優
先的に流れる。

このため、水平部６２のメッシュは、垂直部６３のメッ
シュに較べ多くの不純物を捕獲するために早く目づまり
を起こす。

すると、次第に液体金属の流れは水平部６２のメッシュ
から垂直部６３のメッシュへと移行して行き、それとと
もに目づまりもメッシュの水平部６２から垂直部６３へ
と移行してゆく、これに対し、従来例のようにメッシュ
が内管２に一杯に充填されている場合は、不純物が第２
図で示したように流路の入口部で不純物が集中的に捕獲
されるために、メッシュ全体を有効に使用することがで
きず、コールドトラップの寿命は短かくなる。

このため、第２図から明らかなように不純物が集中的に
捕集される有効なメッシュの厚さ、例えば、約３７０朋
の厚さをもつカップ状メッシュを充填すれば、メッシュ
全体を有効に利用でき、かつ、コールドトラップの寿命
を延ばすことができる。

また、本実施例によれば、上部構造が簡単となり、ガス
抜き弁１２が取りつけられていることにより、運転初期
のガス抜き、あるいは、運転中の液体金属より放出され
た放射性物質等のガス抜きが容易となる。

以上、この実施例によれば、液体金属の上昇流を冷却す
る方法によって、コールドトラップ全体の温度が一様に
保てるために、メッシュ充填層における不純物の析出が
確実となり、メッシュ充填層における不純物の捕獲性能
が向上する。

さらに液体金属の冷却が急激で、急速に冷却体出口温度
に近づくのでコールドトラップの温度制御が容易となる
。

また、メッシュの充填層をカップ状にすることにより、
不純物がメッシュの水平部から次第に垂直部へと捕獲さ
れてゆくのでメッシュを有効に利用でき、コールドトラ
ップの寿命が従来のものに較べ延ひる効果がある。

また、コールドトランプの上部にガス抜き弁を設けるこ
とによりガス抜きが容易となる効果が生まれる。

ここで、液体金属とはナトリウムのみならず、カリウム
、リチウム等のアルカリ金属およびこれらの合金の場合
を含み、冷却体には、空気窒素、液体金属等が用いられ
る。

第４図は、本発明の他の実施例を示すもので、第３図と
同一部分は同一符号で示してある。

第３図の実施例と異なる点は、第３図においては液体金
属の冷却がジャケット方式であったが、この実施例にお
いては、液体金属の上昇流路中に冷却管１３を挿入した
点であり、この場合には、第３図の実施例に較べ伝熱面
積を大きく取ることができる。

その他の効果は第３図の場合と同様である。第５図は、
本発明のさらに他の実施例を示すもので第３図と同一部
分には同一の符号が付してある。

この装置が第３図の実施例と異なる点は、冷却管３の構
造であり、第３図の実施例の場合は冷却体をコールドト
ラップの上部より流入させていたが、この実施例では、
冷却体をコールドトラップの下部から流入させコールド
１・ラップの上部から流出させている。

すなわち、第３図の場合は、液体金属と冷却体との熱交
換を交流型にしたものであるが、この場合は並流型にし
て液体金属を冷却するものである。

並流型における液体金属と冷却体のコールドトラップ内
での温度分布を第５図ｂに示す。

液体金属のコールドトラップ内の温度分布はＬ線に示す
如く第３図の交流型と殆んど同じである。

従って、この場合も第３図の場合とほぼ同じ効果を得る
ことができる。

以上、これら実施例のコールドトラップはコールドトラ
ップ全体の温度分布を一様にすることができるので、不
純物の析出が確実となり、メッシュによる不純物の捕獲
性能が向上する。

コールドトラップ全体の温度が冷却体の出口温度に保持
され ためコールドトラップの温度制御が容易となる。

以上の如く、本発明液体金属精製装置は不純物の捕獲性
能を向上せしめ得るもので工業的効果の大なるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは従来のコールドトラップの断面図、第１図ｂ
は第１図ａのコールドトラップ内の温度分布を示す特性
図、第２図は第１図ａのコールドトラップ内に捕獲され
た酸素の分布を示す特性図、第３図ａは本発明の液体金
属精製装置（コールドトラップ）の一実施例の断面図、
第３図ｂは第３図ａのコールドトラップ内の温度分布を
示す特性図、第４図は同じく他の一実施例の断面図、第
５図ａは同じく他の一実施例の断面図、第５図ｂは第５
図ａのコールドトラップ内の温度分布を示す特性図であ
る。 １・・・・・・容器、２・・・・・・内管、３・・・・
・・冷却管、４・・・・・・流入管、５・・・・・・流
出管、６・・・・・・充填層、８・・・・・・環状間隙
、１０・・・・・・冷却体入口、１１・・・・・・冷却
体出口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体金属流入口を有する外容器と、該外容器内側部
   と一定間隙を介して配置され一端開口し他端に液体金属
   流出口を有し、その内部に液体金属中の不純物除去用の
   充填材を保持してなる内容器と、前記外容器に設けられ
   た冷却手段とを有する液体金属精製装置において、前期
   充填材が上部に開口部を有するカップ状メッシュ構造よ
   りなり、前記外容器の液体金属流入口および前記内容器
   の液体金属流出口が、それぞれ、前記外容器、前記内容
   器の底部にもうけられ、前記液体金属流入口より前記外
   容器内に流入した液体金属が前記外容器内側面と前記内
   容器外側面との形成する間隙を上昇したのち、前記内容
   器開口部より内容器内に入り前記カップ状メッシュ構造
   の充填材を通過して前記液体金属流出口より流出するよ
   う構成されていることを特徴とする液体金属精製装置。 ２ 前記冷却材流路が、前記外容器の上部より下部に向
   けて形成されている特許請求の範囲第１項記載の液体金
   属精製装置。