JPS6059031A - 液体金属冷却材からセシウムを除去する方法 - Google Patents

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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、原子炉に関し、より具体的には高速増殖炉の
液体金属冷却材からセシウムを除去する方法に関するも
のである。

〈従来の技術〉 典型的な高速増殖炉は、核分裂性物質が核分裂を起づ際
に発生する高温の熱を取出すための冷却材として液体ナ
トリウムを用いている。冷却材にＪ：って運ばれた熱は
、二次系を介して蒸気に変換され、この蒸気が電気エネ
ルギー生成に利用される。液体す１〜リウムは、反応容
器や熱交換器又は蒸気発生器、そしてこれらの装置を直
列に連結する配管システム、並びにこれらの装置を通し
て冷却材を循環さ［るポンプを有する一次冷却系として
知られている密閉熱輸送系中を循環される。この液体ナ
トリウムは、原子炉運転中に燃料要素から漏れ出た揮発
性で放射性の核分裂生成物によって実質的に汚染される
。−次冷却系に見出される最も顕著な放射性汚染物質の
一つとして知られＣいるものにセシウムがあり、ナトリ
ウム冷却材系の低温面に沈着していることがしばしば観
察されている。このように−次冷却系にセシウムが存在
することは、特に原子炉の燃料交換時やメンテナンス時
、或いは作業員が危険な環境にさらされる直接的な補修
が必要な一次冷却系の補修においては、安全性及び健康
にとって大きな危険となる。また、極めて稀ではあるが
この一次冷却系から汚染された冷却材が漏出した場合に
は、更に安全性をおびやかすものとなる。従って、高速
増殖炉についての健康上の危険性を減する上で、セシウ
ムを除去することは何にも増して重要なことである。

以上のようなセシウム汚染の問題を解決するものとして
、コールドトラップ浄化システムを用いる数多くの試み
がなされている。

しかしながら、コールドトラップ浄化システムにおいて
はセシウム除去効果に限界があり、除去できるセシウム
の吊にはその時々によって大きな変動があっｌζ。セシ
ウム沈着挙動にみられるこのような変動は、ナトリウム
系における他の汚染物質との相互作用ににるものと考え
られ、ヒシウム沈着の増加に関連すると考えられる汚染
物質は恐らく酸化物類と水素化物類の両方が挙げられる
であろう。しかしながら、酸素と水素を故意に添加づ°
るといった別の試験によれば、酸化物と水素化物はヒシ
ウム沈着を増加させないことを示している。

ナトリウム冷却材系からセシウムを除去する更に有効な
解決策の一つとして、液体ナトリウム流の循環系に特別
の炭素充填１−ラップを用いる方法がある。このトラッ
プは、アメリカ合衆国アイダホ州のアイダボ　フォール
スの増殖実験炉Ｉ［（ＥＢＲ−ＩＩ型）に採用された。

この場合、比較的低温の条件下では、トラップにグラフ
ァイト又は無定形炭素を充填した場合には、−次冷却系
のナトリウムからセシウム放射能の約９０％を除去でき
ることが知得された。

〈発明が解決しＪ：うとする問題点〉 本発明は上記セシウム除去システムを改良し、−次冷却
系の炭素充填−次トラップを再生し、セシウム放射能を
従来可能とされていたよりも更に減少せしめる方法に係
るものである。

本発明の主たる目的は、原子炉冷却材からセシウムをよ
り効率よ（除去する新規且つ有用な方法を提供するにあ
る。

本発明の別の目的は、原子炉の一部冷７ＪＩ系において
、−次系の主トラップに選択的に接続されて、この主ト
ラップに保持されているセシウム保持Ｍ　（ｃｅｓｉｕ
ｍ　１ｎｖｅｎｔｏｒｙ）を減少させるための再生フロ
ー系を提供することである。

本発明の更に別の目的は、ナトリウム冷却系の主セシウ
ムトラップを再生し、且つそのセシウム吸収能力を向上
させることのできる有用な再生方法を提供することであ
る。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明は、比較的低温にて冷却材がらセシウムを吸収す
る炭素充填−次トラップを有する−次液体金属冷却材系
に選ＩＲ的に接続される再生サブループ系を段りること
を特徴どする。−次トラップがセシウムで飽和されたと
ぎに、この−次Ｉ〜ラップを一次系から分離して炭素充
填二次トラップを有する再生フロー系に接続する。

−次トラップを通過Ｊ゛る冷却材は加熱されて、そのセ
シウム保持聞の一部が再生系の比較的少量の冷却材へ分
散するのを促進させる。高度に汚染されたこの冷却材は
、二次トラップへ流入づ゛る前に温度を降下され、それ
によって二次トラップでのセシウムの吸収を促進さセる
。

〈実施例〉 以下図面に示す本発明の好適な実施例について説明する
。すべての図面を通じて、同じ部材には同じｌ　号を付
しである。

第１図において、符号１０にて示す一次冷却系の一部は
、原子炉冷却拐からセシウムを除去するフィルター機構
を有している。この−次冷Ｎ１系１０は、−次冷却系の
一部となる若しくはそれと並列に接続されてなる冷却材
主流路１１を有し、好ましくは通常の熱交換器（図示せ
ず）の下流のコールドレッグに設けられている。周知の
ように、液体ナトリウムの如ぎ〜次冷却材は、原子炉圧
力容器の炉心を通る際に超高温に加熱されて炉心から熱
を取り去る。この高温の液体ナトリウムは一次系を流れ
て熱交換器に至り、−次系から別の系、即ち一次系と密
封状態にて結合された二次冷却系へと熱を伝達し、電気
的エネルギーを生成するために完全に蒸気に変換される
。

場合によっては、原子炉の一次系と二次系との間に安全
を目的として中間系を設ける。この中間系も密閉されて
いて例えば液体ナトリウムのような液体金属冷却材を含
んでおり、一方、二次系には蒸気に変換づる為に要する
水を使用する。

熱交換器を通って予め温度が下がっているナトリウム冷
却材はさらに主流路１１を流れ、冷却器１２によって約
２００″Ｃまで温度が下げられる。この冷却されたナト
リウムは通常は問いている逆止弁１３を通り、符号１５
にて示す特別に設計されたフィルター若しくは一次トラ
ップへと送られ、流通ずる液体す１−リウムからセシウ
ムを除去する。このようにして処即された、即ちトラッ
プ１５を出た浄化された液体ナトリウムは、管１１ａを
介して通常は聞いている逆止弁１６を通って一次冷却系
へと戻される。

第２図はセシウムトラップ１５の構成例を示している。

同図にＪ３いて、符号１７は好適な断熱月利１８を充填
したトラップ格納容器であり、上記セシウムトラップ１
５を囲繞している。このトラップ１５は略円筒状のハウ
ジング、即ち殻体２０を有し、殻体２０はドーム状の上
壁２１と底壁２２、更に環状の側壁２３とを有している
。殻体２０は格納容ｉｉ！ｉ１７内の台座２５上に保持
されている。殻体２ｏの上端は、トラップ１５の流入端
にて流路１１に接続された管路２７の流出端２６に連通
されていて、汚染された液体ナトリウム冷却材を受り入
れるにうになっている。

殻体２０の中には、その中心に敢躬状の間隙を有すよう
に殻体から離して設置プだ内管体部３０が垂直方向に延
びて設けられている。内管体部３０の上端は、トラップ
１５の出口端にてナトリウム管１１ａに接続した管体３
２の流入端部３１に接続されていて、浄化されたナトリ
ウムを一次冷却系へと帰還させる。

トラップ１５は低密度の無定形炭素発泡体、好ましくは
網状のガラス質炭素にて実質的に充たされており、これ
がそこを通る液体ナトリウムから七゛シウムを除去すな
わち吸収する鋤ぎをする。この網状ガラス質炭素充填物
３３は単位体積当り大きな表面積を有し、この充填物の
表面の流れが均一に分布するようにしている。

作動中に分断されがちな充填物粒体が流亡するのを防止
するために、３５ミクロンの焼結ステンレス鋼スクリー
ン３４を設けて殻体２０内に充填物３３を保持している
。このスクリーン３４は、殻体２０の中央において、内
管体部３０の下端と支持板３５との間に設けられておリ
、上記内管体部３０と連通した間口中心通路３６を備え
ている。殻体２０の上端近傍の充填物３３の上面に環状
多孔板３７が設けられていて、充填物３３を保持してい
る。かくして、流入してくる液体ナトリウムは炭素充填
物３３を通過して、セシウム／ｉ５［０’Ｊ能の大部分
を除去する。

浄化された処理済ナトリウムはスクリーン３４を通って
内方へ流れて中心流路３６に入り、内管休部３０、流入
端部３１及び管体３２を介して前記す１〜リウム管１１
ａに送られＣ−次冷却系へど再度流入づることになる。

炭素を用いてけシウム汚染を制御することについては従
来より提案されていることである。

約１７０℃乃至約２３０”Ｃの範囲、好ましくは約２０
０℃の比較的低温でグラフアイ１〜又は無定形炭素充填
物によつで液体す１−リウムからセシウムを除去し得る
ことが判明している。この場合セシウムは充填物の表面
に単に物理的に吸着されているのではなく、炭素に化学
的に結合されている。このにうな炭素充填物は、ナトリ
ウムには何ら影響を及ぼすことなく、セシウムと多くの
化合物を生成する。しかしながら、炭素充填物によるセ
シウム放射能の吸収には好ましい前記低湿度が余りにも
低いので、セシウムを有用な速度で炭素マトリックスの
内部に適切に拡散し得ないことが判明した。従って、充
填物表面に最も近い部分の充填物材料のみがかＪ：うな
低温トラップ運転中に利用され、液体す１〜リウムから
放射性セシウムの約９０％を除去したときに充填物は飽
和に達してしまう。前記の）品度範囲以上にトラップ温
度を上昇させることはセシウムを炭素マトリックス内部
に更に拡散させるためには好ましいが、セシウムを液体
す！−リウム中に再分散させる方向に平衡をシフ１〜ざ
ぜるためには不利である。従って、従来知られている上
記の炭素フィルター４７１３”ｊ’ｌｉは、液体す１〜
リウム冷却材から放射性セシウムの主要部分を除去する
という目的には好適であるものの、そのセシウム除去能
力には限界がある。

本発明は上記の問題に対処するものであり、以下に説明
覆る如（−次１〜ラップ１５を再生させるために補助的
なザブルーブリなわち再生フロー系４０（第１図）を設
けることにより上記セシウム除去系の効率を増加させる
ものである。

この再生系４０は、弁１３と一次トラップ１５の流入部
との間で流路１１に結合した入口４２、Ｊ３よび一次１
〜ラップ１５の流出部と弁１６との間で管＋１ａに結合
した出［１４３を有している管体４１を含んでいる。こ
の管体４１内の流れは入口遮断弁４５と出口遮断弁４Ｇ
にＪ：って制御される。艙・体４１は、冷却器７１７、
液体ナトリウムをザブルース系４０内に循環させるポン
プ８、二次即ち再生トラップ５０．及びこのトラップ５
０の下流にある加熱器５１（これらの部（Δは色体４１
によって全て直列に結合されている）へとす１〜リウム
の流れを送り込む。

上記再生１−ラップ５０は梠造的には一次１〜ラップ１
５と同一であってよいしその作動も同様と考えてよいが
、しかし、前当は一次１−ラップ１５にりも小型であり
、例えば充填物の体積は一次トラップ１５の約１０〜５
０％程度となっている点が相違している。ここで、本発
明による再生トラップ５０は第２図の構造に限られるも
のではなく、炭素充填物を通って汚染された冷却材が流
れるＪ：うな好適な炭素充填物材料を有したものであれ
ば、その具体的４１’ｉ　ｉ告は広範囲に変え得るもの
であることを理解づべきである。

運転中の一次１〜ラップ１５を含む再生糸４０内を循環
するナトリウムの総容串は、−次冷２ＪＩ系３−４ の容聞の約１０　乃至１０　程度である。

正常な条件下での運転では、主流路１，１を流れるナト
リウムの温度は、−次冷却系のコールドレッグにおいて
影響される如く、−次トラップ１５を通過する前に冷却
器１２にＪ：って約２００℃まで冷却され、−次１−ラ
ップ内で放射性セシウムの大部分はナトリウムから除去
される。

この時点では、入口弁４５及び出口弁４６は閉じられて
再生糸４０を一次系から遮断する。前に述べた如く、フ
ィルター作用すなわちセシウム吸収作用は、−次ナトリ
ウム冷却材系からセシウム放躬能の約９０％が除去され
て一部トラップ１５の炭素充填物３３が飽和に達するま
で継続させるのである。

本発明によれば、−次１−ラップ１５がそのセシウム除
去能力を失った後で、通常は開いている弁１３及び１６
を閉じることによって一次系から一部トラップ１５を隔
離し、通常は閉じている弁４５及び４６を聞くことによ
って再生系４０に接続する。再生系４０の循環はポンプ
４８によって達成され。冷却器４７及び加熱器５１を作
動させることによって再生糸４０の両端に温度差をもた
らされる。好ましくは、再生１ヘラツブ５０を通るす１
〜リウムを約２００℃に維持するように上記冷却器４７
を作動させ、他方、加熱器５１は一部１〜ラップ１５を
通るナトリウムの温度を約５００℃に上昇さＵる。この
上昇湿度において、−次トラップ中に保持されたセシウ
ムはザブループ系４０の限定量のナトリウム中に分散し
、一方、トラップ１５の充填物３３内のヒシウムのいく
らかは充填物マトリックスの内部に更に拡散】ることに
なる。この間、約２００℃の低温度の再生１−ランプ５
０内炭素充填物は、隔離されたザブループ系４０内の比
較的高濃度にセシウム汚染された大幅に減少された容量
のナトリウムからセシウムを吸収し始める。

かくして、夫々の制御６Ｌ反にて、一方では一部トラッ
プ１５がセシウムを放出し、他方では再生トラップ５０
がセシウムを吸収して蓄積する。

この作用は平衡に達づるまで継続され、その時点で弁４
５．４６を閉じて一部トラップ１５を再生サブループ系
４０から隔離し、弁１３゜１６を開いて一次系に再結合
させる。次いで一部トラップは約２００℃の正常運転温
度まで冷却され、炭素充填物の表面が再構成されたため
に、即ちセシウム１度が低減されＩＣために、−次１へ
ラップ１５は一次冷却系内の敢躬性セシウム淵度を更に
減少させるように作動する状態となる。

かくして、−次トラップ１５を再生づることにより、−
次ナトリウム冷却刊系中のセシウム汚染の９０％以上を
除去することができる。事実、再生トラップ５０を周期
的に隔離し、且つこれを更に別の再生ザブループ系に接
続してそのセシウム保持量を減少させ且つレシウムの一
部を炭素充填物の更に深い部位にまで拡散さけることに
Ｊ：す、更に効率的な１〜クラップ用が実現できる。上
記と同様にし−（、二次トラップ５０を、−次トラップ
１５のセシウム吊の史に多（を吸収りるＪ：うに再生り
ることもできる。

第３図は別の実施例ににる再生フロー系すなわちサブル
ープ系４０′を示しており、熱交換器５２を用いること
ににっで、直接加熱及び冷却りる必要性を低減した点に
おい−（、前記第１図の実施例の再生フロー系４０と相
違づる。また、加熱器５１は、再生り°プループ系４０
の管体４１にではなしに、主流路１１に設けである。

第１図と同じ部材・部位には第１図と同じ参照符号を付
し【説明を省略づる。

通常の運転条件下では、弁１３．１６は聞いており、他
方、弁４５．４６は閉じていて、再生系４０′を遮…ｉ
づる。更に、加熱器５１は停止している。かくして、主
流路１１を流れるナトリウム冷却材の温度は熱交換器５
２内にて時下され、更に、もし必要であれば一部トラッ
プ１５に入る前に冷却器１２にＪ：って更に約２００℃
まで降下される。処理され冷却されたす１−リウムは、
次いで、主流路１１を流れる高温ナトリウムと熱交換づ
るように熱交換器５２のシェル側を流れる。熱交換器５
２のシェル側を出たす［・リウムは管１１ａを介して一
次冷却系に戻される。

一部トラップ１５が第１図の実施例について述べたと同
じように飽和状態にイ【ると、弁１３゜１６を閉じるこ
とにより一部冷ム１ｊ系から遮１ｇｉされ、弁４５．４
６を開くことによって再生サブループ系４０’に結合さ
れる。このザブループ系４０’の流れはポンプ４８にＪ
二つて達成され、冷却器１２を停止し加熱器５１と冷却
器４７を作動させることによりサブループ系４０’の両
端に温度差を生じさせる。かくして、主流路１１を流れ
るナトリウムが熱交換器５２を通過し、加熱器５１によ
って約５００℃に加熱され、次いで一次トラップ１５を
流れるような閉鎖系が形成されるのである。トラップ１
５を出たナトリウムは熱交換器５２のシェル側を通過し
、そこで湿度が多少降下され、更に冷却器４７によって
約２００℃まで降下され、次いで再生トラップ５０を通
過する。第１図の実施例同様、−次トラップ１５に保持
されているセシウムのいくらかは炭素充填物マトリック
スの内部に更に拡散され、またそのいくらかは再生ザブ
ループ系４０′の限定されたナトリウム容量の中に再分
散され、且つ平衡に達り°るまで再生トラップ５０にＪ
：って吸収される。次に、−次トラップ１５は、弁４５
．４６を閉じることによつ１再生サブループ系４０’か
ら切り離され、弁１．３．１６を聞くことによって一次
冷却系に再接続される。

その後、冷却器４７と加熱器５１を停止し、冷却器１２
を作動して一次冷却系からの高温ナトリウムを約２００
℃に再び冷却して、再生された一次トラップ１５によっ
て処理されるようにする。この場合も、再生された一次
トラップ１５は一次ナトリウム冷却材系のセシウム量を
９０％以上も減少し得る効果を有する。

〈発明の効果〉 以上の説明より明らかな通り、本発明によって前述した
ごとき発明の目的を完全に達成づることができる。本発
明により従来よりも格段に高い効率をもって、液体ナト
リウム冷却材からヒシウムを除去できるものである。セ
シウム二次トラップを有し且つ選択的に一次ナトリウム
冷却材系に接続しうる再生サブループ系を段ＧＪること
により、セシウム−次トラップを再生してその寿命を実
質的に延ばづ−ことが出来ると共に、−次ナトリウム冷
却材系からの゛・セシウム除去を促進させることができ
る。

以上本発明の好適な実施例について説明したが、本発明
はこの実施例に限定されるものではなく、特許請求の範
囲で種々の変更が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による再生サブループ系を備
えた原子炉−次冷ＩＪｌ系の一部を示すフローダイヤグ
ラム、第２図は本発明において用いられるコールドトラ
ップの一部を破断した断面図、および第３図は本発明の
別の実施例による再生サブループ系を示す゛フローダイ
ヤグラムである。 １０・・・−次冷却系、１１・・・冷却材主流路、１２
．４７・・・冷却器、１３，１６，４５．４６・・・弁
、１５・・・−次１−ラップ、１７・・・トラップ格納
容器、１８・・・断熱拐料、２０・・・殻体、３３・・
・炭素充填物、３４・・・スクリーン、３６・・・中心
通路、４０．４０’・・・再生フロー系、４８・・・ポ
ンプ、５０・・・二次（再生）１−ラップ、５１・・・
加熱器、５２・・・熱交換器。 特許出願人　アメリカ合衆国 代　理　人　尾　１１シ　行　雄

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、−次冷却系に一部トラップを備え、この−次トラッ
   プがセシウムで飽和されるまで比較的低温にて液体金属
   冷却材からセシウムを吸収するようにした原子炉にｄ３
   りる上記−次冷却系を循環する液体金属冷却材からセシ
   ウムを除去する方法においで、該−次トラップがセシウ
   ムで飽和されたとぎに一次冷却系から該−次トラップを
   切り離して、二次トラップを有する再生フロー系に該−
   次トラップを接続し、該−次トラップを通過づる冷却材
   の温度を上昇させて該−次トラップのセシウム保持量の
   一部を該再生フロー系を循環する冷却材に分散せしめ、
   該二次トラップを通過する冷却材の温度を降下させて該
   再生フロー系の冷却材からセシウムを吸収し、これによ
   り、−次冷却系に再接続されたときに該−次トラップを
   再び使用し得るように再生することを特徴とする液体金
   属冷却材からセシウムを除去する方法。 ２、前記−次トラップおよび二次トラップには各々炭素
   充填物を充填する特許請求の範囲第１項記載の液体金属
   冷却材からセシウムを除去する方法。 ３、前記−次トラップが一次冷却系に接続されたときに
   該−次トラップを通過する冷却材の温度を約１７０〜２
   ３０℃に冷却する特許請求の範囲第１項記載の液体金属
   冷却材からセシウムを除去する方法。 ４、前記−次トラップが再生フロー系に接続されたとき
   に該−次トラップを通過する冷却材の温度を約５００℃
   に加熱し、一方、前記二次トラップを通過する冷却材の
   温度を約１７０〜２３０℃に冷却する特許請求の範囲第
   １項記載の液体金属冷却材からセシウムを除去する方法
   。