JPS629171B2

JPS629171B2 -

Info

Publication number: JPS629171B2
Application number: JP58149194A
Authority: JP
Inventors: Kesahiro Naito; Hiromi Tokoi; Shigehiro Shimoyashiki; Norikatsu Yokota; Kazuo Takahashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-08-17
Filing date: 1983-08-17
Publication date: 1987-02-26
Also published as: JPS6043447A

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〕

従来の液体ナトリウム精製法には、高速増殖炉
（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
ラツ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。

まずコールドトラツプ法を第１図により説明す
る。コールドトラツ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。トラツプの
構造は第１図に示すもので、容器１内に内胴を設
け、内筒２の中にメツシユ充填物３をつめ込み、
また容器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を変えてメツシユ
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ユ充填層に捕獲され、
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150〜120℃にな
るように冷却ガス風量が制御される。またメツシ
ユ充填層３の部分は環状流路６からの熱入力を抑
制しほゞ一定の温度になるように、内胴２は熱し
やへい構造物とするのが普通である。さらにメツ
シユ充填層は上下に２〜３層に分割されており、
上部層ほど目の細かい形状にできている。ナトリ
ウム中の析出不純物はメツシユの表面に推積する
ので、不純物濃度が高い流入側のメツシユ充填層
が極所的に目づまりを生じやすい。メツシユの一
部が閉塞するとナトリウム流動抵抗の増加による
コールドトラツプ機能の喪失を招く。そこでメツ
シユ充填層３の全域が不純が不純物をできるだけ
均一に捕獲する工夫が種々とられている。上記の
メツシユ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、ニツケル、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。酸素のナトリウム中溶解度は例
えば150℃では数ppmであり、コールドトラツプ
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。したがつてコール
ドトラツ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、コールドトラツプ温度での飽
和溶解度よりも低下する装置、すなわちホツトト
ラツプが使用される例もある。いわゆる化学式ト
ラツプである。また水素については、水素を透過
しやすい金属例えばニツ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
効なトラツプ、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、ナトリ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ツプで除去
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
⁴⁰K（半減期1.3×10⁹年）及び¹³⁴Cs（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¹³⁷Cs（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から、これをナトリ
ウム中で捕獲するためのセシウムトラツプが開発
されつつあり、このセシウムトラツプの能力を低
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ツ
プ及びナトリウム蒸留は効果が無いと云える。

また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―Ｓ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
になつている。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―Ｓ発電用のナトリウムを精製する
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
満足するまでに到つ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、つぎのナトリ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
すい性質を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
金網製の保護箱１４に充め込まれている。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。この破片がナトリウム１２中に混入するの
を防ぐために保護箱１４は焼結材であつても良
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を高温に保つため
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２１、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
ーパートラツプ２４を介して接合され、真空引き
できるようになつている。

以上の構成によればナトリウムはつぎのように
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ハロ
ゲン元素は揮発性であるため蒸留法では除去され
ないものである。例えば、原子炉級のナトリウム
にはカリウムが約50ppm含まれているが、ナト
リウム温度を150〜350℃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200℃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
がつ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
つて余分に用いておけば1/50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500℃に加熱す
る。同時に排気管２３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２０を通して凝縮器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200℃以下に冷やされ、内部にはナ
トリ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より系外に廃棄され
る。

したがつて以上のように(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ツタ材で捕獲する機能と、
(2)ゲツ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
いナト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。したがつ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３１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を設けてあ
る。アルカリ不純物及びハロゲン不純物捕獲用の
非晶質カーボン３３、ナトリウム蒸発のための加
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ツトがある。な
お、非晶質カーボン３３は低温ほど不純物捕獲能
力が大なるため、蒸発させるために高温となるナ
トリウムとの間に熱しやへい板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″―アルミナの電解性能及び寿
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
済のナトリウム、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
で汚染されたナトリ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なるのは腐食生
成物では⁵⁴Mn、⁵⁸Co、⁶⁰Coであり、核分裂生成
物では¹³⁴Cs、¹³⁷Cs等である。したがつて、非晶
質カーボンで¹³⁴Cs、¹³⁷Csは捕獲、除され、
⁵⁴Mn、⁵⁸Co、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
なる。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ナトリウム
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つた、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、本発明の構造は不純物除去材自身がナト
リウムの汚染物にならないようにすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のナトリウム精製装置に関する説
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リウム精製装置の構造図
である。１……容器、２……内胴、３……メツシユ充填
層、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、
１１……ナトリウム槽、１２……ナトリウム、１
３……非晶質カーボン、１４……保護箱、１５…
…支切弁、１６……供給管、１７……蒸発槽、１
８……ナトリウム、１９……加熱器、２０……蒸
気導管、２１……凝縮器、２２……凝縮ナトリウ
ム槽、２３……排気管、２４……ベーパートラツ
プ、２５……排出管、３０……ナトリウム容器、
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、４０……熱しやへい板。

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
液体ナトリウム精製装置。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精製される順序を経る
ような構成としたことを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の液体ナトリウム精製装置。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る機能を付加したことを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載のナトリウ
ム精製装置。