JP2022012109A

JP2022012109A - アルカリ金属の安定化方法及び安定化装置

Info

Publication number: JP2022012109A
Application number: JP2020113685A
Authority: JP
Inventors: 祥平金村; Shohei Kanemura; 孝大森; Takashi Omori; 国男島野; Kunio Shimano
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2040-07-01
Also published as: JP7399803B2

Abstract

【課題】機器または配管の内部に付着したアルカリ金属と湿り炭酸ガスとの反応速度を、湿り炭酸ガスの供給初期から低下させることなく保持させて、アルカリ金属の安定化処理を実施できること。【解決手段】金属ナトリウム１が内部に付着した配管１５を、この配管の外部に配置された加熱装置１１により４０℃以上に加熱し、更に加熱した湿り炭酸ガス２をガス供給系１２から配管の内部に供給することで、金属ナトリウム１を炭酸水素ナトリウムに転換させた後に、この炭酸水素ナトリウムを炭酸ナトリウムに熱分解させるものである。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態はアルカリ金属の安定化方法、及びアルカリ金属の安定化装置に関する。

ナトリウム冷却高速炉では、冷却材として金属ナトリウムやナトリウムカリウム合金が用いられる。これらの金属は熱中性子吸収断面積が小さい、熱伝導性が高く除熱性能が高い等のメリットがあるが、酸素や水と激しく反応して発火または爆発する恐れがあるデメリットもある。これらの金属は、炉心冷却のために溶融した状態でループ内を移動するので、金属配管、バルブ、ストレーナ、タンク等のループ内の様々な機器に接触する。

一方、ナトリウム冷却高速炉を廃炉にする際は、ループ内に残った金属ナトリウムを取り出す必要があり、溶融金属ナトリウムをドレンラインから排出することが行われる。この操作により、大部分の金属ナトリウムをループ外に排出可能であるが、一部の金属ナトリウムは配管の内表面や機器の隙間などに残留する。ループ内に残留した金属ナトリウムは、配管や機器の切断または解体時に発熱もしくは発火する可能性がある。このため、ループ内に湿り炭酸ガスや湿り窒素ガスを導入し、金属ナトリウムを比較的安定で取り扱いがしやすい水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウムに転換することが行われる。

湿り炭酸ガスの場合：２Ｎａ＋２Ｈ_２Ｏ＋２ＣＯ_２→２ＮａＨＣＯ_３＋Ｈ_２
：２Ｎａ＋Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２→Ｎａ_２ＣＯ_３＋Ｈ_２
湿り窒素ガスの場合：２Ｎａ＋２Ｈ_２Ｏ→２ＮａＯＨ＋Ｈ_２

特開昭６２－７５３９６号公報特開２０００－１５２１５号公報特表２０１１－５２５９７９号公報

大型ナトリウム機器の解体・洗浄手法の開発(核燃料サイクル開発機構；２００２) 湿り空気および湿り炭酸ガス環境における金属ナトリウムの反応進展速度評価(核燃料サイクル開発機構；１９９９)

図７に示すように、湿り炭酸ガス１０２により金属ナトリウム１０１を比較的安定なナトリウム炭酸塩に転換する反応は既に行われており、報告もされている。本反応は、最初期では金属ナトリウム１０１と湿り炭酸ガス１０２とが直接触れるため反応が進行するが、反応が進行するにつれて、生成した炭酸ナトリウムまたは炭酸水素ナトリウムからなる生成物層１０３を介して金属ナトリウム１０１と湿り炭酸ガス１０２とが反応することになるため、反応速度が低下してしまうという課題がある。

非特許文献1には、湿り炭酸ガス(相対湿度４０～８０％ＲＨ)を、金属ナトリウムが付着した機器に導入し、処理開始２日目で、厚さ２～３ｍｍの白色生成物が得られたと報告されている。また、非特許文献２には、ＣＯ_２濃度が９５ｖｏｌ％以上で且つ相対湿度が３９～９８％ＲＨの湿り炭酸ガスを用いて、室温で金属ナトリウムの安定化処理を行ったところ、この安定化処理の進行に伴い、金属ナトリウムと湿り炭酸ガスとの反応速度が低下する傾向があることが報告されている。

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、機器または配管の内部に付着したアルカリ金属と湿り炭酸ガスとの反応速度を、湿り炭酸ガスの供給初期から低下させることなく保持させて、アルカリ金属の安定化処理を実施できるアルカリ金属の安定化方法及び安定化装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態におけるアルカリ金属の安定化方法は、アルカリ金属が内部に付着した機器または配管を、この機器または配管の外部に配置された加熱装置により４０℃以上に加熱し、更に加熱した湿り炭酸ガスを前記機器または前記配管の内部に供給することで、前記アルカリ金属を炭酸水素塩に転換させた後に、この炭酸水素塩を炭酸塩に熱分解させることを特徴とするものである。

また、本発明の実施形態におけるアルカリ金属の安定化装置は、機器または配管の外部に配置され、前記機器または前記配管の内部に付着したアルカリ金属を４０℃以上に加熱する加熱装置と、前記機器または前記配管の内部に、加熱した湿り炭酸ガスを供給するガス供給系と、を有し、前記加熱装置にて４０℃以上に加熱した前記アルカリ金属に、前記ガス供給系から加熱した湿り炭酸ガスを供給することで、前記アルカリ金属を炭酸水素塩に転換した後に、この炭酸水素塩を炭酸塩に熱分解するよう構成されたことを特徴とするものである。

本発明の実施形態によれば、機器または配管の内部に付着したアルカリ金属と湿り炭酸ガスとの反応速度を、湿り炭酸ガスの供給初期から低下させることなく保持させて、アルカリ金属の安定化処理を実施できる。

本実施形態に係るアルカリ金属の安定化方法を実施するアルカリ金属の安定化装置を概略して示す構成図。図１のアルカリ金属の安定化装置が実施するアルカリ金属の安定化方法を説明する説明図。図２におけるアルカリ金属の安定化方法によりガラスシャーレ内で生成される生成物等のサンプルを示し、ガラスシャーレの内部及び周囲並びに湿り炭酸ガスの温度が（Ａ）では２５℃、（Ｂ）では４０℃、（Ｃ）では６０℃の各場合を示す断面図。生成物層の厚さと金属ナトリウム及び湿り炭酸ガスの温度との関係を示すグラフ。図２におけるアルカリ金属の安定化方法によりガラスシャーレ内で生成される生成物等のサンプルを示し、ガラスシャーレ内に供給される湿り炭酸ガスの炭酸ガス濃度が（Ａ）では１００ｖｏｌ％、（Ｂ）では８０ｖｏｌ％、（Ｃ）では１０ｖｏｌ％の各場合を示す断面図。生成物層の厚さと湿り炭酸ガスの炭酸ガス濃度との関係を示すグラフ。従来のアルカリ金属の安定化方法を説明する説明図。

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
図１は、本実施形態に係るアルカリ金属の安定化方法を実施するアルカリ金属の安定化装置を概略して示す構成図である。このアルカリ金属の安定化装置１０は、アルカリ金属としての例えば金属ナトリウム１を湿り炭酸ガス２と反応させて、比較的安定で取り扱いの容易な炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）及び炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ_３）に転換させるものであり、加熱装置１１及びガス供給系１２を有して構成される。

ここで、アルカリ金属としては、ナトリウムのほか、リチウム、カリウム、ルビジウム、セシウムであってもよく、またはこれらの金属の組み合わせたもの（例えばナトリウムカリウム合金）であってもよい。また、アルカリ金属の安定化装置１０が処理対象とする金属ナトリウム１は、例えばナトリウム冷却高速炉における金属容器を含む機器または配管、図１では配管１５の内部（例えば内面）に付着して残留したものである。

加熱装置１１は、機器または配管（例えば配管１５）のを外部に接して配置されて、この機器または配管（例えば配管１５）の内部（例えば内面）に付着した金属ナトリウム１を４０℃以上に加熱する。この加熱装置１１は、上記金属ナトリウム１を加熱すると共に、この金属ナトリウム１が転換されて生成された炭酸水素ナトリウム及び炭酸ナトリウムからなる生成物層３（図２）を加熱する。また、加熱装置１１は、機器または配管（例えば配管１５）内の金属ナトリウム１を溶融させるために上記高速炉に設置された既存の加熱装置であってもよいが、新たに設置された加熱装置であってもよい。

ガス供給系１２は、機器または配管（例えば配管１５）の内部に、加熱した湿り炭酸ガス２を供給するものであり、濃度・湿度調整器１３及びガス加熱設備１４を有して構成される。

濃度・湿度調整器１３は、まず、炭酸ガスの濃度を調整する。つまり、濃度・湿度調整器１３は、炭酸ガス（ＣＯ_２）のみを用いて炭酸ガス濃度を１００ｖｏｌ％にするほか、炭酸ガスに不活性ガス（例えばＡｒガス）を混合し、混合ガスとして炭酸ガス濃度を調整する。この炭酸ガス濃度は、０．０４ｖｏｌ％以上が好ましい。濃度・湿度調整器１３は、更に、濃度が調整された炭酸ガスに水蒸気を付加して湿り炭酸ガス２とする。従って、湿り炭酸ガス２は、炭酸ガスと水蒸気とからなるガス(気体)である。

ガス加熱設備１４は、濃度・湿度調整器１３により炭酸ガス濃度及び湿度が調整された湿り炭酸ガス２を、機器または配管（例えば配管１５）へ供給する前に加熱するものである。このガス加熱設備１４により加熱される湿り炭酸ガス２の加熱温度は、加熱装置１１による機器または配管（例えば配管１５）の加熱温度に対応した温度(例えば略一致した温度)に設定され、４０℃以上の温度である。

本実施形態のアルカリ金属の安定化方法は、上述のようにして濃度・湿度調整器１３により炭酸ガス濃度及び湿度が調整されると共にガス加熱設備１４により加熱された湿り炭酸ガス２を、加熱装置１１により４０℃以上に加熱された機器または配管（例えば配管１５）内に供給することで、機器または配管（例えば配管１５）の内部（例えば内面）に付着した金属ナトリウム１を炭酸水素塩である炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ_３）に転換し、その後この炭酸水素ナトリウムを炭酸塩である炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）に熱分解する。

加熱装置１１及びガス加熱設備１４により炭酸水素ナトリウムが炭酸ナトリウムに熱分解する際に炭酸ガス（ＣＯ_２）が発生し、この炭酸ガスが、炭酸水素ナトリウム及び炭酸ナトリウムからなる生成物層３を膨張させて、この生成物層３に空隙を形成する。ガス供給系１２からの湿り炭酸ガス２が生成物層３内の空隙内を通過することで、この湿り炭酸ガス２と金属ナトリウム１との接触が促進されて、金属ナトリウム１と湿り炭酸ガス２との反応速度が上昇する。

上述の炭酸水素ナトリウムの熱分解により炭酸ガスが発生する熱分解反応は、
２ＮａＨＣＯ_３ →Ｎａ_２ＣＯ_３＋Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２ …（１）
と表記される。この熱分解反応式(１)からも分かるように、ガス供給系１２から供給される湿り炭酸ガス２の炭酸ガス濃度が低いほど、上記熱分解反応式の平衡反応が右に傾いて炭酸水素ナトリウムの熱分解が促進され、炭酸ガス（ＣＯ_２）の発生量が増加して生成物層３が膨張し、この生成物層３中に多数の空隙が生ずる。

図３に示すように、金属ナトリウム１をガラスシャーレ１６に充填し、絶対湿度１２．５ｇ／ｍ^３の湿り炭酸ガス２を用い、ガラスシャーレ１６の内部及び周囲と湿り炭酸ガス２の温度を２５℃、４０℃、６０℃としてそれぞれ金属ナトリウムの安定化処理試験を行った。図３（Ａ）に示す２５℃で処理したサンプルでは、図４にも示すように、生成物層３の厚さＴａが２．４ｍｍであり、生成物層３に膨張を確認できなかった。

図３（Ｂ）に示す４０℃で処理したサンプルでは、図４にも示すように、生成物層３の厚さＴｂが３．７ｍｍとなり、生成物層３に膨張による浮き上がりを確認できた。また、図３（Ｃ）に示す６０℃で処理したサンプルでは、図４にも示すように、生成物層３の厚さＴｃが９．８ｍｍとなり、生成物層３の膨張が促進されてこの膨張による浮き上がりが顕著になっていることが分かった。

図３における各金属ナトリウムの安定化処理試験における金属ナトリウム１の深さ方向の平均処理速度は、８時間後において、２５℃では０．１９ｍｍ／ｈ、４０℃では０．２１ｍｍ／ｈ、６０℃では０．３９ｍｍ／ｈとなり、生成物層３の膨張に伴い処理速度が上昇していることを確認できた。

図５に示すように、金属ナトリウム１をガラスシャーレ１６に充填し、この金属ナトリウム１の内部及び周囲温度を４０℃とし、絶対湿度２９ｇ／ｍ^３で且つ温度４０℃の湿り炭酸ガス２を用い、この湿り炭酸ガス２の炭酸ガス濃度を１００ｖｏｌ％、８０ｖｏｌ％、１０ｖｏｌ％として、それぞれ金属ナトリウム１の安定化処理試験を行った。

図５（Ａ）に示すように、湿り炭酸ガス２の炭酸ガス濃度が１００ｖｏｌ％で金属ナトリウム１の安定化処理を行った場合の生成物層３の膨張量（生成物層３の厚さＬａが５ｍｍ）に比べ、図５（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、湿り炭酸ガス２の炭酸ガス濃度が低くなるほど生成物層３の膨張度合いが増加していることを確認できた。即ち、炭酸ガス濃度が８０ｖｏｌ％、１０ｖｏｌ％のそれぞれで金属ナトリウム１の安定化処理を行った場合の生成物層３の膨張量（生成物層３の厚さ）は、図６に示すように、８０ｖｏｌ％の場合に生成物層３の厚さＬｂが１１．６ｍｍであり、１０ｖｏｌ％の場合の生成物層３の厚さＬｃが１５．３ｍｍであった。これは、湿り炭酸ガス２の炭酸ガス濃度が低いほど、式（１）に示す炭酸水素ナトリウムの熱分解反応が促進されるからである。

図５における各金属ナトリウムの安定化処理試験における金属ナトリウム１の深さ方向の平均処理速度は、８時間後において、炭酸ガス濃度１００ｖｏｌ％では０．２７ｍｍ／ｈ、８０ｖｏｌ％では０．４０ｍｍ／ｈ、１０ｖｏｌ％では０．６６ｍｍ／ｈとなり、生成物層３の膨張に伴い処理速度が上昇していることを確認できた。

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果を奏する。
金属ナトリウム１が内部に付着した配管１５を加熱装置１１により４０℃以上に加熱した状態で、配管１５の内部にガス供給系１２から加熱した湿り炭酸ガス２を供給することで、配管１５内に付着した金属ナトリウム１を炭酸水素ナトリウムに転換した後に、この炭酸水素ナトリウムを炭酸ナトリウムに積極的に熱分解している。この炭酸水素ナトリウムが炭酸ナトリウムに熱分解する際に発生する炭酸ガスによって、炭酸ナトリウム及び炭酸水素ナトリウムからなる生成物層３が膨張し、この生成物層３中に空隙が生ずる。この空隙内を湿り炭酸ガス２が通過することで、湿り炭酸ガス２と金属ナトリウム１との接触が促進される。従って、配管１５の内部に付着した金属ナトリウム１と湿り炭酸ガス２との反応速度を、湿り炭酸ガス２の供給初期から低下させることなく保持させて、金属ナトリウム１の安定化処理を実施できる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…金属ナトリウム、２…湿り炭酸ガス、３…生成物層、１０…アルカリ金属の安定化装置、１１…加熱装置、１２…ガス供給系、１３…濃度・湿度調整器、１４…ガス加熱設備

Claims

アルカリ金属が内部に付着した機器または配管を、この機器または配管の外部に配置された加熱装置により４０℃以上に加熱し、更に加熱した湿り炭酸ガスを前記機器または前記配管の内部に供給することで、
前記アルカリ金属を炭酸水素塩に転換させた後に、この炭酸水素塩を炭酸塩に熱分解させることを特徴とするアルカリ金属の安定化方法。
前記機器または前記配管の内部に供給される湿り炭酸ガスを、その供給前にガス加熱設備により４０℃以上に加熱することを特徴とする請求項１に記載のアルカリ金属の安定化方法。
前記機器または前記配管の内部に供給される湿り炭酸ガスが炭酸ガス、または炭酸ガスと不活性ガスとの混合ガスであることを特徴とする請求項１または２に記載のアルカリ金属の安定化方法。
前記機器または前記配管の内部に供給される湿り炭酸ガスの炭酸ガス濃度が、０．０４ｖｏｌ％以上であることを特徴とする請求項３に記載のアルカリ金属の安定化方法。
機器または配管の外部に配置され、前記機器または前記配管の内部に付着したアルカリ金属を４０℃以上に加熱する加熱装置と、
前記機器または前記配管の内部に、加熱した湿り炭酸ガスを供給するガス供給系と、を有し、
前記加熱装置にて４０℃以上に加熱した前記アルカリ金属に、前記ガス供給系から加熱した湿り炭酸ガスを供給することで、前記アルカリ金属を炭酸水素塩に転換した後に、この炭酸水素塩を炭酸塩に熱分解するよう構成されたことを特徴とするアルカリ金属の安定化装置。