JPS6043447A

JPS6043447A - 液体金属精製装置

Info

Publication number: JPS6043447A
Application number: JP58149194A
Authority: JP
Inventors: Kesahiro Naito; 内藤　袈裟博; Hiromi Tokoi; 博見床井; Shigehiro Shimoyashiki; 下屋敷　重広; Norikatsu Yokota; 横田　憲克; Kazuo Takahashi; 和雄高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-08-17
Filing date: 1983-08-17
Publication date: 1985-03-08
Also published as: JPS629171B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は液体金属中の不純物を除去する装置に係わり、
特にナトリウム−硫黄電池、発電装置、ならびに試薬用
ナトリウムや放射性物質を含むナトリウムの精製装置に
関する。

〔発明の背景〕

従来の液体す）　ＩＪウム精製法にｔユ、商運増殖炉（
ＦＢＲ）プラントやそれに関係するナトリウム試験装置
のように大量使用する場合にはコールドトラップ法が採
用されている。また少量を取扱う物理実験的規模ではナ
トリウムの蒸留法が用いられる。

寸ずコールドトラップ法を第１図により説明する。コー
ルドトラップの原理はナトリウムの温度を下げて不純物
の飽和溶解量を低下させ、析出した分の不純物を捕獲す
るものである。トラップの構造は第１図に示すもので、
容器１に内胴を設け、内筒２の中にメツシュ充填物３を
つめ込み、寸た容器１の外側に冷却ダクト４を設けた構
造である。

ナトリウムは入口ノズル５より流入し、環状流路６を流
れ下り、この間に送風機７で送り込まれる冷却ガスによ
りナトリウムは冷却され、容器１の底部で矢印の方向に
流れ金変えてメツシュ充填層３に流入する。冷却された
ナトリウム中から析出した不純物はメツシュ充填層に捕
獲され、精製されたナトリウムは出口ノズル８より流出
する。ナトリウムは容器１の底部で１５０〜１２０Ｃに
なるように冷却ガス風量が制御される。またメツシュ充
填層３の部分は環状流路６からの熱入力を抑制しはソ一
定の温度になるように、内胴２は熱しゃへい構造物とす
るのが普通である。さらにメツシュ充填層は上下に２〜
３層に分割されでおり、上部層はど目の細かい形状にで
きている。ナ）ＩＪウム中の析出不純物はメツシュの表
面に堆積するので、不純物濃度が高い流入側のメツシュ
充填層が極所的に目づまりを生じやすい。メツンユの一
部が閉塞するとナトリウム流動抵抗の増加によるコール
ドトラップ機能の喪失を招く。そこでメツシュ充填層３
の全域が不純が不純物・ｒできるだけ均一に捕獲する工
夫が種々とられている。上記のメツシュの粗さを変える
のもその一つの方法である。

ナトリウム中には鉄、クロム、ニッケル、コバルト、マ
ンガン等の金属、シリコン、カルシウム及びカーボン、
酸素、塩素、水素等の非金属、ナトリウムと同族のセシ
ウム、カリウム等、さらにはこれらの化合物等が不純物
として含まれている。

ナトリウム機器の構成材料の腐食、強度に特に影響を及
ぼすのは酸素及びカーボンであることが知られている。

酸素のす）　ＩＪウム中溶解度は例えば１５０７１’で
は数ｐｐｍであり、コールドトラップの温度をこの温度
に保てば、それ以上溶解していた分を捕獲することがで
きる。したがってコールドトラップ法では飽和溶解度以
下に不純物濃度を下げることは原理的に不可能である。

酸素については、ナトリウム中で酸化物を形成しやすい
金属例えばジルコニウム、ニオビウム等を高温系に用い
て、コールドトラップ温度での飽和溶解度よりも低下す
る装置、すなわちホットトラップが使用される例もある
。いわゆる化学式トラップである。また水素については
、水素を透過しやすい金属例えばニッケルの薄膜を利用
して拡散させ、ナトリウム中から系外へ排出するものも
考えられている。

しかしカルシウム、カリウムなどのアルカリメタル、塩
素、シリコン、カーボン等については有効なトラップ、
すなわち精製法に関する技術が大規模な装置については
確立されていない。

小規模〜中規模の装置としては原理的にはナトリウム蒸
留法がある。例えばナトリウム中不純物分析時にナトリ
ウムを不純物から分離したり、あるいは機器に付着した
ナトリウム除去するのにこの方法が利用されており、精
製したナトリウムを得る以外の分野で主に活用されてい
る。これは、ナトリウムの蒸気圧と不純物の蒸気圧の差
を利用するもので、ナ）　ＩＪウムよりも蒸気圧の低い
不純物、例えばカルシウム、シリコン、カーボン、酸化
物、金属元素等を除去するのに有効である。しかし、カ
リウム、セシウム、ルビジウム等のアルカリ金属の除去
は不可能でありまた塩素、ヨウ素等のハロゲン元素も除
去し難い欠点がある。

ＦＢＲにおいては前記コールドトラップで除去できる程
度に不純物を押えれば、構造材料に与える影響の面では
現状では大きな問題にないと考えられている。しかし、
ナトリウム中の放射性不純物を低減化するという観点で
は、カリウム及びセシウムが存在することは、これらの
放射化により４°Ｋ（半減期１．３Ｘ１０９年）及ヒ”
Ｃｓ　（半減期２．１年）が生成され好ましくない。特
に最近、ＦＢＲ，の燃料破損時に核分裂生成物セシウム
１３７Ｃ８（半減期３０年）がナトリウム中及びカバー
ガス系に放出して重大な障害となることがら、コｔＬを
ナトリウム中で捕獲するためのセシウムトラップが開発
されつつあり、このセシウムトラップの能力を低下させ
ないためにあらかじめナトリウム中の上記カリウム及び
セシウムを低減化することが望まれている。この要求に
対して上記のコールドトラップ及びナトリウム蒸留は効
果が無いと云える。

まだ新エネルギ開発の一つとしてナトリウム−硫黄電池
及び発電システムが開発されつつある。

このＮａ−８電池、発電システムには固体電解質のβ−
アルミナがＮａとＳの隔壁に使用され、この壁をナトリ
ウムがイオンとして流通する仕組みになっている。この
場合、β−アルミナの寿命及び性能を低下させる原因の
主なものに、ナトリウム中のカルシウム、カーボン及び
シリコン等があり、これらの不純物を極力低減すること
が強く望まれている。

従来はＮａ−８発電用のす）ＩＪウムを精製する装置が
特別に設置されていない。現状では上記要求に対し各種
の方策が検討されている段階である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、従来のナトリウム中不純物除去法の短
所とされる、特定元素しか精製できなく他に多くの不純
物を含むこと、及び精製の程度が満足するまでに到って
いないことを解決し、問題となる不純物を全て低い濃度
にすることができる高純度ナトリウム精製装置を提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

本発明は、つぎのす）　ＩＪウム精製原理を組み合わせ
た装置とすることにより、不純物を性状別にかつ効果的
に除去するものである。

（１）　ガラス状非晶質カーボンがナトリウム中のカリ
ウム、セシウム等の同族元素、ならびにヨウ素、塩素等
のハロゲン元素を選択的に吸蔵しやすい性質？利用しそ
れらを除去する。

（２）ナトリウムを蒸発−凝縮回収することにより不揮
発性不純物を除去する。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例を第２図により説明する。

、１１はナトリウム槽であり、未精製のナトリウム１２
が収納されている。このナトリウム１２に沿するように
ガラス状（非晶質）カーボン１３が全網製の保護箱１４
に丸め込まれている。ガラス状非晶質カーボン１３には
比表面積の大きな例えば網目格子状にポーラスに出来て
いるものが望ましい。この４片がナトリム１２中に混入
するのを防ぐために保護箱１４は焼結材であっても良い
。

ナトリウム槽１１の上部には支切弁１５を介して供給管
１６に蒸発槽１７が連結されている。蒸発槽１７にはナ
トリウム１８を高温に保つだめの加熱器１９が付設され
ている。蒸発槽１７の上部には蒸気導管２０と凝縮器２
１、さらにその先に凝縮ナトリウム槽２２が連結されて
いる。凝縮ナトリウム槽２２の上板には排気ノズル２３
がベーパートラップ２４を介して接合され、真空引きで
きるようになっている。

以上の構成によればナトリウムはりぎのように精製され
る。すなわち、ナトリウム槽１１内のナトリウム１２は
非晶質カーボン１３により、含まれているカリウム、セ
シウム等アルカリ元素不純物及びヨウ素、塩素等のハロ
ゲン元素不純物が選択的に捕獲される。これらアルカリ
元素及びノ・ロゲン元素は揮発性でちるため蒸留法では
除去されないものである。例えば、原子炉縁のナトリウ
今にはカリウムが約５０１）　ｐｍ含まれているが、ナ
トリウム温度を１５０〜３５０Ｃとすれば非晶質カーボ
ンの重量の約２％に相当する分のカリウムが非晶質カー
ボンに吸蔵される。またナトリウム中のセシウムも、例
えば温度２００Ｃでは非晶質カーボンの重量の約１％程
度まで非晶質カーボンに吸蔵される。このような事実が
実験により判明した。したがってこれらの不純物量は非
晶質カーボン量をあらかじめナトリウム中に含まれる不
純物量に見合って余分に用いておけば１１５０以下に容
易に達成できる。

上記不純物を除去したナトリウムを供給管１６より蒸発
器１７に押し上げ充填する。このナトリウム１８を加熱
１９により例えば５００ｃに加熱する。同時に排気管２
３より内部のカバーガス（通常アルゴン）を真空排気す
る。蒸発したナトリウム蒸気は蒸気導管２０ｔ−通して
凝縮器２１に到り、そこで冷却されて凝縮し液状に戻る
。液状のナトリウムは凝縮ナトリウム槽２２に回収され
る。凝縮器は２００Ｃ以下に冷やされ、内部にはす）　
ＩＪウム蒸気の凝縮に障害となる不活性ガスが存在しな
いから、効果的に熱伝達が行われ、ナトリウム蒸気は早
く液状になる。即ち、真空排気することによりナトリウ
ムの凝縮→蒸発を促進することができる。この一連のナ
トリウム蒸留操作により、ナトリウムより蒸気圧の低い
メタル不純物、カルシウム、シリコン、カーボン等は蒸
発器１７側に残留する。これら不純物が濃縮されたナト
リウム１８の一部は排出管２５より糸外に廃棄される。

したがって以上のように（１）蒸気圧が高くてナトリウ
ム蒸留では除去できないアルカリ及びハロゲン元素類の
不純物をゲッタ材で捕獲する機能と、（２）ゲッタ材で
は除去できないメタル、カーボン、カルシウム及びシリ
コン等を蒸留操作で除去する機能の両者を有機的に連結
することにより、ナトリウム中の不純物を効果的に除去
して、純度の高いすｌ・リウムを得ることができる。

なお、（１）の機能と（２）の機能を逆の順序に構成す
ることも可能であるが、この場合には非晶質カーボンの
破損片がナトリウム中に混入してカーボン汚染を完全に
なくすことは不可能となる欠点がある。したがって上記
二つの原理をシリーズに組合わせる場合には、本実施例
の順序による方が望ましい。

一方、上記の二つの原理をシリーズにしないで一つの装
置に組み込み、同様の機能を持たせることも可能であり
、その例を第３図に示す。

ナトリウム精製装置と精製済ナトリウム受槽を一体化し
た構造である。ナトリウム容器３０の内部に精製容器３
１を断熱構造として配置し、ナトリウム容器３０の上部
に冷却部３２を設けである。

アルカリ不純物及びノ・ロゲン不純物捕獲用の非晶質カ
ーボン３３、ナトリウム蒸発のだめの加熱器３４、ナト
リウム蒸気案内筒３５等が配設されている。未精製ナト
リウムは充填ノズル３６より精製容器３１に供給され、
精製されたナトリウム３７はナトリウム容器３０内に貯
留されて供給ノズル３８より、必要とされる装置に供給
される。

３９はガス系ノズルであり、真空排気系に連結されてい
る。本装置によれば、精製容器の中でナトリウム中不純
物は全て除去されるので、分離型よりもコンパクト化で
きるメリットがある。なお、非晶質カーボン３３は低温
はど不純物捕獲能力が犬なるため、蒸発させるために高
温となるナトリウムとの間に熱しゃへい板４０を設ける
ことが望ましい。

応用例としては、本実施例の装置の後段に、さらに固体
電解質（β“−アルミナ等）を用いた精製装置を組み入
れ、酸素、水素等の不純物をも除去してナトリウムのみ
回収することも可能である。

この場合、β“−アルミオの電解性能及び寿命の劣化の
原因となるカリウム、カルシウム、カーボン等が、前段
で除去されているので好ましい条件が得られる。

以上の装置、はナトリウム以外の液体金属、例えば水銀
、リチウム、ナトリウム−カリウム合金等に対しても同
様の不純物精製効果がある。

また本装置の他の使用法として、ＦＢＲに使用済のす）
　ＩＪウム、またはＦＢＲに使用済の機器等から排出さ
れるナトリウムのように、放射性物質で汚染されたす）
　ＩＪウムの精製に活用することもできる。放射性物質
で特に問題にりるのは腐食生成物では５４　Ｍ　ｎ、　
ｓｓ　Ｃ０，６０Ｃｏであり、核分裂生成物では１３４
ＣＳ、　１３７０　Ｓ等である。したがって１非晶質カ
ーボンで１３４Ｃ８，１８１Ｃ５は捕獲、除され、”Ｍ
ｎＸ”Ｃｏ、６０ＣＯは蒸留槽で除去される。

このようにして放射能レベルを低下させたナトリウム回
収できるので、これを再利用することも可能となろう一
方放射性物質を濃縮した蒸留槽のナトリウム量は少なく
できるので、その処理、処分が減少しコスト低減の効果
が生まれる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ナトリウム中の不純物を物理的性状別
に、各々の性状に適した捕獲・除去機能を有する装置と
することができるため、多種類の不純物を効率良く除去
して純度の高いすｌ−’Ｊウムを得ることができる。す
なわち、従来のナトリウム精製装置では達し得なかった
、アルカリ金属不純物及びハロゲン不純物をも除去する
性能を有する。

また、不発明の構造は不純物除去栃自身がナトリウムの
汚染を吻にならないようにする仁とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のナトリウム１′＃製装置に閏する説明図
、第２図は本発明になるナトリウム精製装置の一実施例
を示す構成図、第３図は同じく本発明の他の実施例にな
るナトＩＪウム精製装置の構造図である。１・・・容器、２・・・内胴、３・・・メツシュ充填層
２．４・・・冷却ダクト、５・・・入口ノズル、６・・
・環状流路、７・・・送風機、８・・・出口ノズル、１
１・・・ナトリウム槽、１２・・・ナトリウム、１３・
・・非晶質カーボン、１４・・・保護箱、１５・・・支
切弁、１６・・・供給管、１７・・・蒸発槽、１８・・
・ナトリウム、１９・・・加熱器、２０・・・蒸気導管
、２１・・・凝縮器、２２・・・凝縮す）　ＩＪウム槽
、２３・・・排気管、２４・・・ペーパートラップ、２
５・・・排出管、３０・・・すｌ・リウム容器、３１・
・・精製容器、３２・・・冷却部、３３・・・非晶質カ
ーボン、３４・・・加熱器、３５・・・ナトリウム蒸気
案内筒、３６・・・充填ノズル、３７・・・ナトリウム
、３８・・・供給ノズル、３９・・・ガス系ノズル、４
０・・・熱しゃへい板。代理人　弁理士　高橋明夫／４／３第１頁の続き０発　明　者　高　橋　和　雄　日立市森山町究所内

Claims

【特許請求の範囲】１、液体ナトリウム精製装置において、少なくとも非晶
質カーボンを利用した精製機能部と蒸留方式による精製
機能部とを有することを特徴とする液体す）　ＩＪウム
精製装置。２、未精製の液体ナトリウムは、上記非晶質カーボンに
よる精製機能部で精製された後、上記蒸留方式による精
製機能部にてｎ製される順序を経るような４１１ｆ成と
したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の液体
す）　ＩＪウム精製装置。３、蒸留方式による精製機能部に不純物濃縮ナトリウム
を系外に排出できろ機能を付加したことを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載のナト１ノウム精製装置。