JPS5943401B2 - 酸素・水素の再結合方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、例えば重水減速軽水冷却圧力管型原子炉に
おける重水の放射線分解によって生ずる酸素および重水
素の再結合方法の改良に関するものである。

減速材である重水Ｄ２０は放射線により式（１）および
（２）による反応が起る。

■ Ｄ２０→Ｄ２＋−ｙ０２ ・・・（１
）１ ・・・（２） Ｄ２０ ＋−ｚ０２−→Ｄ２０２ （１）式により発生した重水素Ｄ２と酸素０２は、ヘリ
ウム等のカバーガス中に蓄積するが、この蓄積量が多く
なると爆発の危険があるため、カバーガス中の重水素含
有量を３モル係以下に保つ必要がある。

この目的のために、周期律表第８族のいわゆる貴金属を
表面積大なるアルミナ等の担体に担持させた触媒を用い
て、カバーガス中の重水素と酸素を（１）式の逆反応、
すなわち式（３）の反応により再結合させて重水に変換
する方法が採られている。

■ Ｄ２＋ｌＯ２→Ｄ２０ ・・・（３）（３
）式による再結合反応は一般に、重水素と酸素を含有す
るカバーガスを触媒層に流すことによって行なわれてい
るが、（１）式により生成した酸素の一部は（２）式の
過酸化重水素の生成反応に消費されるので、カバーガス
中に含まれる重水素の全部を重水に変換するにはカバー
ガス中に酸素の不足分を追加したのち（３）式の再結合
反応を行なわせなければならない。

その上、（３）式の再結合反応の結果生成した重水蒸気
が貴金属触媒表面に凝縮すると触媒作用が低下する結果
、反応速度が低下してしまうため、カバーガスを７０〜
１５０℃程度に加熱して重水蒸気の触媒表面での凝縮を
防止する必要がある。

一方、（２）式により生成した過酸化重水素Ｄ２０２は
重水中に蓄積するが、この過酸化重水素は酸化力が強し
・ため、重水浄化系に使用されているイオン交換樹脂を
酸化してＨ２Ｓ ０４ 、 Ｈ２ＣＯ３、Ｈ２Ｏなどを
生成し、その結果重水の電導度が高くなり重水の放射線
分解が増大して重水濃度の低下をもたらし、さらには重
水循環系の腐食の原因ともなる。

そのため重水中の過酸化重水素は（４）式の触媒反応に
よって絶えず分解する必要がある。

■ Ｄ２０２→Ｄ２０ ＋ −ｚ０２ ・・・
（４）従来の方法においては、かような（４）式による
過酸化重水素の分解は（３）式による酸素・重水素再結
合とは別個に行なわれていた。

そこでこの発明は、従来別々に行なっていた酸素・重水
素再結合と過酸化重水素の分解とを同時に一操作で行な
うことができ、しかも効率のよい酸素・重水素再結合反
応を起させる方法を提供することを目的としてなされた
ものである。

すなわちこの発明による酸素・重水素の再結合方法は、
重水の放射線分解により生じた酸素と重水素を含有する
ガスを貴金属触媒を充填した反応塔内に上昇流として流
し、一方、重水の放射線分解により生じた前記酸素によ
って酸化された過酸化重水素を含有する重水をこの反応
塔内に下降流として流すことによって、酸素と重水素の
再結合反応と過酸化重水素の分解反応とを同一反応塔内
で同時に行なうことを特徴とするものである。

この発明によれば同一反応塔内で酸素と重水素の再結合
反応と過酸化重水素の分解反応とが同時に行なわれるか
ら、従来のカバーガス中の酸素・重水素再結合方法にお
いてカバーガス中に追加して補給する必要のあった酸素
の不足分は、この発明においては過酸化重水素の分解に
より絶えず補給されるため、特にカバーガス中に酸素を
補給せずども（３）式による再結合反応が化学量論的に
効率良く行なわれるのである。

この発明の好ましい実施態様においては、ガスを塔底か
ら導入して塔頂から排出させ、重水を塔頂から塔底へ流
下させることによって、ガスの上昇流と重水の下降流と
が触媒充填層内で向流接触するようにする。

かような向流操作により酸素と重水素との再結合反応を
効率よく行なわせることができる。

すなわち、（３）式の再結合反応は発熱反応であり、例
えばカバーガス中の１ ｖｏｌ ％の重水素が酸素と結
合すると約７０℃の温度上昇を起す。

こうした発熱反応はできるだけ温度上昇を抑えた方が触
媒寿命のために望ましいので、この発明においてはガス
に対して重水を向流に流すことによって温度上昇を抑制
することができるのである。

この発明のさらに好ましい実施態様においては、反応塔
内に充填する貴金属触媒を疎水性とする。

この疎水性触媒は、貴金属を疎水性担体、例えばポリテ
トラフルオルエチレン、ジビニルベンゼン−スチレン共
重合体などの表面に担持させて調製することができる。

貴金属としては従来法と同様。白金、パラジウム、ロジ
ウム、ルテニウム等の周期律表第８族の金属が使用でき
る。

かような疎水性貴金属触媒を使用することによって、（
３）式の酸素と重水素の再結合反応で生成した重水蒸気
がこの触媒表面に凝縮しないので触媒活性が衰えること
はない。

従って、重水蒸気の触媒表面での凝縮防止のために従来
法において必要とされていた触媒層の加熱は不要となり
、導入ガスを予熱する必要はない。

この発明を実施するに際して好ましく使用できる反応塔
の例を第１図に示す。

かような反応塔を用いてこの発明を実施する場合の操作
を以下に説明する。

酸素と重水素を含有するガスはガス供給管１から塔内に
導入され、触媒充填層２を通る過程で酸素と重水素は触
媒作用によって再結合して重水を生成しながら上昇して
いき、ガス排出管３から塔外へ排出される。

一方、過酸化重水素を含有する重水は塔頂の重水供給管
４から導入され、ガス上昇流と向流接触しながら触媒充
填層２を流下していく過程で酸素・重水素再結合反応に
よる反応熱を冷却する作用をすると同時に重水中の過酸
化重水素は酸素を発生して分解し、最終的に塔底の重水
排出管５から排出される。

ガス供給管１から供給されるガスが重水とともに排出管
５から排出しないように、塔底には常時一定量の重水６
を貯えておく。

一定量の重水を貯えておくたｌに重水供給量と重水排出
量をバルブ７．８および制御器９によってコントロール
できるようになっている。

また、過酸化重水素の分解と酸素・重水素の再結合成反
応が過不足なく行なわれるように、重水とガスの供給量
を互いに関連をもたせて制御する制御装置（図示せず）
を設けることもできる。

なお、一定量の重水を塔底に貯めておくための制御手段
としては、第２図に示したように光電管１０．１１によ
って重水レベルを検知し、制御器１２によって重水排出
バルブ８の開度を調節する方法でもよい。

反応塔へ導入するガス中の重水素含有量の多少および重
水中の過酸化重水素含有量の多少によって、貴金属触媒
の種類やガスと水の供給様式を使い分けることが望まし
い。

ガス中に重水素が比較的多く、重水中の過酸化重水素が
比較的少ない場合には、第１図のような反応塔に疎水性
貴金属触媒を充填することが好ましい。

この場合には酸素・重水素再結合反応を特に効率良く行
なわせる必要があるため、生成する重水蒸気の触媒表面
での凝縮が起らないように疎水性触媒を使用するのであ
る。

また酸素・重水素再結合反応による発熱はガス上昇流に
対して向流に流下してくる重水によって効果的に冷却さ
れる。

なお、過酸化重水素の分解反応は疎水性貴金属触媒より
も親水性貴金属触媒による方が効果的に促進されるが、
重水中の過酸化重水素含量が比較的少ない場合には疎水
性触媒によっても過酸化重水素の分解反応は再結合反応
に影響なく行なわれる。

ガス中の重水素含量および重水中の過酸化重水素含量の
いずれも比較的多い場合には、酸素・重水素再結合反応
および過酸化重水素分解反応の両方とも効率良く行なわ
せる必要がある。

そのためには第１図の反応塔に疎水性貴金属触媒と親水
性貴金属触媒とを混合して充填することが好ましい。

このようにすることによって、酸素・重水素再結合反応
は疎水性触媒により、一方過酸化重水素分解反応は親水
性触媒によりそれぞれ効果的に進行させることができる
。

また、ガス中の重水含量は比較的少なく、重水中の過酸
化重水素含量は比較的多い場合にも上記した疎水性触媒
と親水性触媒との混合充填層を用いることによって効果
的に処理することができる。

親水性触媒は従来から用いられていた触媒であり、貴金
属を表面積大なるアルミナ、ケイソウ十等の担体に担持
させて調製することができる。

ガス中の重水素含量および重水中の過酸化重水素含量の
いずれも比較的少ない場合には、第３図に示したような
変形方法が好ましく使用できる。

すなわち第３図の実施態様によれば、反応塔の上方部分
に疎水性貴金属触媒充填層２１．下方部分に親水性貴金
属触媒充填層２２を間隔を置いてそれぞれ区分して設け
、ガスは塔側壁に設けたガス供給管２３から塔中央部に
導入し、疎水性触媒充填層２１を上昇する過程で効率の
良い酸素・重水素再結合反応を行なわせ、最終的に塔頂
のガス排出管２４から塔外へ排出される。

一方、重水は塔側壁に設けた重水供給管２５から塔中央
部に導入して、親水性触媒充填層２２を流下する過程で
効率の良い過酸化重水素分解反応を行なわせ、最終的に
塔底の重水排出管２６から排出される。

第３図の例では、ガス中の重水含量が比較的少なく、酸
素との再結合反応による発熱も比較的少ないため重水の
下降流とガスの上昇流とを向流接触させることは必ずし
も必要でない。

しかしながら、同一反応塔内で酸素・重水素再結合反応
と過酸化重水素分解反応とが同時に行なわれるから、分
解反応により生成する酸素が再結合反応における酸素の
不足分を効果的に補うことができることは 第１図に示
す実施態様と同様である。

第３図の例のように、疎水性触媒層と親水性触媒層を各
１層づつ通過させただけでは再結合反応と分解反応が完
全でない場合には、第４図に示したようにこれらの触媒
層を多段的に設けた塔内に通過させることによって各反
応をより完全にすることができる。

すなわち、疎水性貴金属触媒層３１ａ、３１ｂと親水性
貴金属触媒層３２ａ、３２ｂとを互いに区分して交互に
塔内に設け、過酸化重水素含有重水を先ず上段の親水性
触媒層３２ａに下降流として流し、流下する重水を傾斜
仕切板３３によって一回塔外へ導いたのち２段目の親水
性触媒層３２ｂの上部から再導入して触媒層３２ｂを流
下させる。

一方、重水素含有ガスは先ず下段の疎水性触媒層３１ａ
に上昇流として流し、傾斜仕切板３３によって一回塔外
へ導いたのち２段目の疎水性触媒充填層３１ｂの下部に
再導入して触媒層３１ｂを上昇流として通す。

かような第４図は疎水性触媒層と親水性触媒層を各２段
づつ設けた例を示したが、さらに多数の触媒層を同一反
応塔内に設けることもできることは勿論である。

このようにして同一反応塔内に疎水性触媒層と親水性触
媒層とを交互に多段的に設けることによって、完全な再
結合反応と分解反応をコンパクトな装置で行なうことが
できる。

なお、以上の説明においては原子炉の減速材として用い
られる重水の放射線分解によって生じた酸素と重水素と
の再結合反応および重水中の過酸化重水素の分解反応に
ついて述べたが、原子炉冷却水等の軽水の放射線分解に
よって生じた酸素と水素との再結合反応および水中の過
酸化水素の分解反応についても全く同様にこの発明が適
用できることは容易に理解できるであろう。

実施例 多孔性ポリテトラフルオルエチレンに白金を担持させた
粒状疎水性白金触媒を径５ＣｒｆＬの円筒に充填し長さ
３０儂の触媒充填層を設けた。

水素を３ｖｏｌ ％含んだ予熱しないカバーガスをＩＮ
ｍ’／ｈｒの流量で触媒充填層の底部から導入して頂部
から抜き出し、一方過酸化水素を１０ｐｐ！ｎ含んだ水
を２ｋｇ／ｈｒの流量で触媒充填層の頂部から導入して
底部から抜き出して、ガス上昇流と水下降流とを向流接
触させた。

この場合の塔頂から抜き出されたカバーガス中の水素は
０．１ ｖｏｌ ％以下となり、塔底から抜き出される
水中の過酸化水素はｌｐｐｍ以下となった。

また触媒充填層の温度上昇は５０℃以下であった。

以上の説明から明らかなようにこの発明によれば、原子
炉中の重水減速材の放射線分解により生ずる望ましくな
い酸素１重水素、過酸化重水素や、さらには原子炉冷却
水の放射線分解により生ずる望ましくない酸素、水素過
酸化水素を、同一の反応塔内で同時に効率よく反応処理
できるのである。

また、酸素・水素の再結合反応と過酸化水素の分解反応
を同一反応塔内で同時に行なうようにしたから、再結合
反応に際して不足する酸素を分解反応で生成する酸素を
以って絶えず補給することができる。

さらには、疎水性貴金属触媒を使用することによって、
再結合反応で生成する水蒸気が触媒表面に凝縮しないた
め触媒活性が低下することなく、従って凝縮防止のだめ
の供給ガスの予熱を不要にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を実施するために好ましく使用できる
反応塔の説明図、第２図は第１図の反応塔の底部変形例
を示す説明図、第３図はこの発明を実施するために使用
できる反応塔の別な実施例の説明図、および第４図は触
媒層を多段的に反応塔内に設けた実施例の説明図である
。 １．２３・・・ガス供給管、２，２１，２２・・・触媒
充填層、３，２４・・・ガス排出管、４，２５・・・水
供給層、５，２６・・・水排出管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水の放射線分解により生じた酸素と水素を含有する
   ガスを貴金属触媒を充填した反応塔内に上昇流として流
   し、一方、水の放射線分解により生じた前記酸素によっ
   て酸化された過酸化水素を含有する水をこの反応塔内に
   下降流として流すことによって、酸素と水素の再結合反
   応と過酸化水素の分解反応を同一反応塔内で同時に行な
   うことを特徴とする酸素・水素の再結合方法。 ２ ガスの上昇流と水の下降流とを向流接触させる特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 貴金属触媒として疎水性貴金属触媒を使用する特許
   請求の範囲第２項記載の方法。 ４ 貴金属触媒として疎水性貴金属触媒と親水性貴金属
   触媒の混合物を使用する特許請求の範囲第２項記載の方
   法。 ５ 疎水性貴金属触媒を反応塔の上方部分に、親水性貴
   金属触媒を反応塔の下方部分にそれぞれ区分して充填し
   、ガスは疎水性貴金属触媒充填層に上昇流として流し、
   水は親水性貴金属触媒充填層に下降流として流す特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 ６ 疎水性貴金属触媒と親水性貴金属触媒とを反応塔内
   に交互にそれぞれ区分して充填して触媒充填層を多段的
   に設け、親水性触媒充填層の下部に傾斜仕切板を配設す
   ることによって親水性触媒充填層を流下してくる水を一
   旦塔外へ導いたのち下段の親水性触媒充填層上部から再
   び塔内へ導入し、一方各疎水性触媒充填層を上昇してく
   るガスは前記仕切板によって一旦塔外へ導いたのち上段
   の疎水性触媒充填層下部から再び塔内へ導入する特許請
   求の範囲第５項記載の方法。