JPS6016503B2 - 液体金属精製装置の運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高速増殖炉（以下ＦＢＲと略記）プラントに
おいて冷却材として用いられるナトリウムの精製装置に
係わり、特にナトリウム中の不純物を除去するコールド
トラップの運転方法に関する。

ＦＢＲの冷却材としては、■比重が小さい、■熱伝導率
が大きい、■沸点が高い、■核的な中性子の吸収が小さ
い等の利点のため、従釆から、金属ナトリウムが広く用
いられている。

しかし、その一方、ナトリウムはイｂ学的に活性で、種
々の物質と化合しやすく、とりわけ酸素との結合度は強
い。ＦＢＲ冷却材としてのナトリウム中に、上記酸化ナ
トリウムが大量に混入すると、以下のような弊害が生じ
る。

■ 構造材の腐食が増大する。■ 低温部で酸化物が析
出し、その量が多くなると流路が閉塞する。

■ 弁、ポンプ等ナトリウム中で可動する部分にカジリ
を生じやすくなる。

このため、ＦＢＲプラントでは、ナトリウムと酸素との
接触を極力避け、ナトリウムのカバーガスとしてアルゴ
ンなどの不活性ガスを用いている。

これにもかかわらず、不活性ガスに混入している酸素な
どのため、長期間のうちには、ナトリウム中への酸化物
の蓄積が生じる。酸化物による弊害を避け、ＦＢＲを順
調に運転するためには、この酸化物をナトリウム中から
除去することが必要である。この様な装置の代表的なも
のとして、コールドトラップがある。これは、不純物が
溶存するナトリウムを冷却し、過飽和状態をつくって酸
化物を析出し、捕獲する装置である。第１図に、ごく一
般的なコールドトラップの構造を示す。

容器４の中心部にナトリウム入口配管３があり、そのま
わりにメッシュ７が結められている。メッシュ７と容器
４との下部には、セトリングチェンバー８がある。容器
４の上部にはナトリウム出口配管９があり、容器４の外
周部には、冷却フィン５が設けられている。フィン５の
周囲は冷却ダクト６で覆われ、その下部には冷却ファン
１０が設けられている。精製するナトリウムは、ポンプ
２で加速され、ナトリウム流れ１２に従ってセトリング
チェンバ８に達する。容器４は底部から外周にかけて冷
却ブロア１川こよって冷却されるため、セトリングチェ
ンバ８の部分が最も温度が低い。従って、この部分でナ
トリウム中の不純物が析出する。ナトリウムはメッシュ
部を上昇する。その結果、析出した不純物はメッシュ内
に捕獲される。炉過されたナトリウムは出口配管９から
得られる。上述のごとく、この種のコールドトラツプで
はセトリングチェンバ８の温度が最も低いため、そこで
の温度１５（以下精製温度という）が不純物除去特性に
大きな影響を与える。

このため、コールドトラツプを運転するには、■精製温
度をいかに精度よく制御するかということと、■系全体
の不純物量を除去する上で、精製温度をいかにして決定
していくかということが重要なポイントである。■に開
して、従釆技術は、空気等の冷却媒体の流量や温度を調
節することによって前記精製温度を制御する冷却量制御
方式である。

この方式は、第１図でも説明した様に、冷却の効果が容
器を通してあらわれるため、温度制御性が悪く、例えば
、ナトリウム入口温度１４の変動などの外乱に対しては
、精製温度を高精度で一定に保つことが難しいという欠
点をもつ。この状況は、コールドトラップの制御系が、
オペレータによる手動制御系か、あるいは、計算機化さ
れた自動制御系かによらず、ほぼ同機である。これに対
し、最近では、冷却量制御方式に加えて、比較的即応答
性の高いナトリウム流量制御方式を併用した冷却量・流
量制御方式が提案されている。

この方法は精製温度を冷却量で粗精製し、しかる後に、
それを流量で微調製する方式である。つまり、この方式
を用いれば、精製温度を高精度に制御することができる
。一方、■は不純物を含んだ系全体のナトリウムをいか
に遠く所定の目標純度に到達させるかに関するものであ
り、従来の方式は次の様である。

‘ａ｝ 精製温度を別途不純物濃度測定器で測定した閉
塞温度と同一か、又は、それにもとづき、オペレータの
感や経験による値に設定する。｛ｂ｝ 一定時間（この
時間もオペレータの経験によることが多い。

）経過するまで、上記状態を保持する。｛ｃ｝ 保持後
、再度測定された閉塞温度にもとづき、精製温度を再設
定する。

この様に、従釆技術では、精製温度の設定値や変更のタ
イミングが、感や経験にもとづくことが多く、必ずしも
系の不純物を早急に除去するという観点からの最適化が
はかられていない。

更に、この時の精製温度制御方式は、前述の冷却量制御
方式であることが多く、精度の高いナトリウム純度の制
御及び管理ができないことが多かった。本発明の目的は
、精製温度の制御性をよくした上で、更に系全体のナト
リウム純化時間を最短化するコールドトラツプの運転方
法を提供することにある。本発明は、系全体のナトリウ
ム不純物濃度の時間的変化率１宅学ｌくＣ（ｔ）：系の
不純物濃度）が最大となる様に、コールドトラップの（
ｉ） 空気冷却量目標値（ｉｉ） ナトリウム流量目標
値 を、諸プロセス量が算出し、それを目標値として、コー
ルドトラップの運転関連機器（ナトリウム流量制御用ポ
ンプ、空気冷却量制御用ブロア等）、と、冷却量・流量
制御方式で、計算機制御することにある。

以下本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。

第２図は本発明の実施例であって、ダンプタンクーに貯
蔵されたナトリウム１６を、コールドトラツプ９で精製
するものである。ポンプ４により、くみ上げ、加速され
たナトリウムは、流量計６、自動不純物計７を経由して
、コールドトラップ９で精製される。精製されたナトリ
ウムは、ヒータタンク２に入り、ヒーター１で加熱され
た後、再びダンプタンクーに戻る。この様な構成におい
て、ナトリウム流量、自動不純物濃度測定値、コールド
トラップス、口温度８、精製温度測定値２０、冷却量測
定値がプロセス入口信号系１２により、計算機１４１こ
入力される。計算機１４では、設定系１５から入力され
た最終純度目標値などを用いて、コールドトラップ系制
御信号１３を算出し、ポンプ４、自動不純物濃度計７及
び冷却系１９を制御する。即ち、コールドトラツプ系の
制御信号は、下記によって決定する。（ｉ）空気冷却量
目標値Ｑ小は、Ｑａｉｒ算出用のサンプリング周期Ｔご
とに、残留不純物量Ｒ，で決定する。

（第３図参照）Ｑ舞子；冷却機器フル運転時の冷却量 Ｑ畔：ポンプの制御下限値から決まる液体金属最低流量
に対し液体金属が凝固 しないように安全車を見込んで定め て冷却量の最低値 Ｒｉ：時刻Ｔｉでの系内残留不純物量 Ｍ；系内のナトリウム量 Ｃ（ｔ）；時刻ｔにおける不純物濃度測定値Ｃｆ；最終
純化目標値ｋ：比例定数 ｉ）時刻ｔ＝ｔｎにおけるナトリウム流量目標値Ｇ靴（
ｔｎ）は、時刻ｔ＝ｔｎ‐，におけるプロセス量の測定
値を用いて算出する。

（第４図参照）即ち、第２図に示した精製システムの不
純物濃度の時間的変化は、ｄ講。

＝・＝寿４（Ｃ（ｔ）−Ｃ地）……｛３１い与えられる
。ここに、Ｇ；ナトリウム流量 り；コールドトラップの捕獲効率 Ｃ靴；コールドトラップの精製温度に対応した飽和不純
物度一方、Ｃ糊は、精製温度Ｔ湖に対応した飽和不純物
濃度であるから、Ｃ飢ニＡ・ｅＸｐ（−Ｂ／ＴＳｅｔ）
…，．，【４１（Ａ，Ｂは定数）で与えられる。

更に、Ｔ柳はコールドトラツプにおけるナトリウムの最
低温度であるため、冷却量Ｑａ；ｒとの熱バランスによ
り、下記関数関係が成立する。

Ｔ蛇ｔ＝ｆ（ＧＮａ Ｔ常 Ｇａｌｒ Ｔ糾） …‘５
’ＧＮａ；ナトリウム流量Ｔ沙；ナトリウムのコールド
トラツプ入口温度Ｇ汎：空気冷却流量 Ｔ器ｒ：空気入口温度 ここで、空気入口温度Ｔ器ｒを一定に保ち、更に、空気
冷却量を一定に保つ時間間隔Ｔだけの間について考える
と、その間Ｇ軌は一定となるため「Ｔ蛇ｔ＝ｇ（ＧＮ３
，Ｔ船）（時間Ｔの間）．・・‘６１とあらわされる。

この関数式は、各空気冷却量に対し、予め、計算機に記
憶させておく。この様にすると、系全体の不純物濃度の
時間的変化は、側計ＧＮａ・ ｄｔ 一 〔Ｃ（ｔ）−＊Ｘｐ｛翼Ｇ言登＊）｝〕 ．・・．・・．・・ｔ７’ で与えられる。

ここでｔ＝ｔｎにおけるＧｓｅｔ目標値Ｇ船ｔ（ｔｎ）
は、ｔ＝ｔｎ‐，における測定値ＴｉｎＮａ（ｔｎ‐，
），Ｃ（ｔｎ‐，）を用い、物理的に可能なＧｓ乳の範
囲内で・‘７１式のｌ宅桜１が最大値となるように、計
算機で算出する。

（第４図参照）尚、この時の精製温度Ｔ鮒は、佃式によ
り測定値Ｔ鑑（ｔｎ‐，）を用いて既に算出されたＧ側
（ｔｎ）と対応づけることができる。即ち、ＴＳｅｔと
Ｇ＊ｔとは‘６１式によって一対一に対応するがｔ本実
施例ではＧ史ｔを制御目標値とする。以上述べたことを
、更に物理的に説明すると次の様になる。即ち、本発明
ではコールドトラツプの空気冷却量は、系全体の不純物
量に比例させて決定させている。つまり、系の立上げ時
などには不純物量が多いため、空気冷却量を多くとって
（必要に応じて、冷却系の最大値Ｑ滋Ｘにする。）不純
物をどんどん析出させる方法としている。逆に系がほぼ
最終目標純度に焔づいた場合には、除去すべき不純物量
が少いため、空気冷却量も少〈とって、不必要な冷却は
行わない方式としている。つまり、本発明によれば、系
の除去すべき不純物量に対応させて、空気冷却量を調節
する冷却量決定方式となっている。一方、精製温度に関
しては、準一定の冷却量制御方式のもとに、ナトリウム
流量Ｇ鋤で、精製温度Ｔｓ乳を制御しているため、温度
制御性がよい。

また、コールドトラップの入口温度の変化に対しても、
その影響を吸収することができる制御方式となっている
。（‘７｝式参照）更に、Ｇ肌，Ｔ蛇ｔは、‘７拭の１
辛生ｌが最大となるように求めたものであるから、それ
に従ってコールドトラップを運転すれば、系内の不純物
濃度を最短の時間で目標の純化濃度に到達させうろこと
は言うまでもない。第５図は本発明の他の実施例であり
、液体金属冷却材原子炉の精製系に、本発明を用いたも
のである。この場合にも、第２図と同様に、系全体のナ
トリウム不純物濃度の時間的変化（この場合には次に示
すよぅに、ＩＭ．ｄ宅学十Ｍ２等巡，）が最大となるよ
うに、コールドトラップの空気冷却量目標値、精製温度
目標値、ナトリウム流量目標を、諸プロセス量から、計
算機により算出し、これを目標値として、コールドトラ
ツブの運転関連機器を冷却量・流量制御方式で、計算機
制御すれば、温度制御性がよい状態で、コールドトラッ
プの最適運転ができる。この場合容量地の原子炉内１０
０の不純物濃度Ｃ２と、容量Ｍ，のダンプタンク１での
不純物濃度Ｃ，との変化率の関係は脚，‘９｝より皿式
のようになる。．・．Ｍ判Ｍ粋 ニＧＩり。

｛ＣＩ（ｔ）−Ｃ柵（ｔ）｝ ……００実際のプラン
トでは、Ｍ《他であるため、炉内の不純物濃度は、第２
図の場合と同機にコールドトラップ系を最適運転するこ
とによって、最短時間で純化できることがわかる。以上
述べたように、本発明によれば精製温度の制御性が良い
状態で、液体金属プラントの不純物濃度を最短時間で所
定の目標純度に到達させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、最も標準的なコールドトラップの構成を示す
略図、第２図は本発明の一実施例を示す液体金属浄化プ
ラントの構成図、第３図ａ，ｂは本発明におけるコール
ドトラップ冷却量を決定する方法及びその時間的変化を
示す略線図、第４図ａ〜ｄは、本発明によって決定され
る諸目標値と不純物濃度測定値間の時間的な関係を示す
綾図であり、ａはコールドトラップの冷却量、ｂは不純
物濃度の測定値、ｃは液体金属流量の目標値、ｄはコー
ルドトラツプ精製温度の目標値である。 第５図は本発明の他の実施例を示す略線図である。６・
・・液体金属流量計、７・・・不純物計、９・・・コ−
ルドトラップ、１４…計算機。 チ４囚 Ｚ′図 〆２図 子３図 ヂタ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 液体金属を冷却機器で冷却することにより不純物を
   析出させ、この不純物を捕獲するようになした液体金属
   精製装置において、液体金属中の捕獲すべき不純物量を
   測定し、この不純物量に応じて精製装置冷却量目標値を
   得、予め定めた冷却量保持期間中はこの冷却量目標値に
   従って、精製装置冷却用機器を制御するとともに、前記
   期間中の液体金属流量については、液体金属の精製装置
   入口温度、不純物濃度測定値、及び冷却量目標値から系
   内不純物濃度変化率が最大となる液体金属目標値を求め
   、この流量目標値に従って流量制御し、これら両制御を
   冷却量保持期間ごとに繰り返すことを特徴として液体金
   属精製装置の運転方法。