JP4064648B2

JP4064648B2 - Equipment for measuring oxygen concentration in molten metal

Info

Publication number: JP4064648B2
Application number: JP2001267949A
Authority: JP
Inventors: 敏郎西; 孝治松澤; 実高橋; 博関本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-09-04
Filing date: 2001-09-04
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2021-09-04
Also published as: JP2003075401A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融金属の酸素濃度測定装置にかかり、特にガス圧によって溶融金属とセンサとの接触面を調整しながら酸素濃度センサの熱衝撃を防止し得る酸素濃度測定装置に関し、更に詳細には高速増殖炉等の原子炉の冷却系の熱媒体、特に鉛ビスマス合金の酸素濃度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高速増殖炉の２次冷却系の冷却熱媒体としてナトリウムを使用している。即ち炉心から取り出された使用済み燃料は、炉外燃料貯蔵槽内のナトリウム中に貯蔵される。使用済み燃料の崩壊熱は、熱媒体としてナトリウムを使用した２次冷却系を介して除熱され、２次冷却系内の空気冷却器により大気中に放出される。
【０００３】
しかしながら高温のナトリウムは、空気中において非常に活性であり、空気中の水分と激しく反応する。このため、万が一ナトリウム漏洩が発生した場合、漏洩火災を引き起こす可能性がある。
このため高速増殖炉における使用済み燃料の減衰待ち貯蔵を行う炉外燃料貯蔵設備において、該炉外燃料貯蔵設備の２次冷却系の熱媒体として鉛ビスマス合金を使用することが提案されている。（特開平１１−６４５７１号）
【０００４】
鉛ビスマス合金は、炉外燃料貯蔵槽の温度条件に追従して冷却が可能なように、液体範囲が約１５０℃〜５００℃の範囲をカバーしている。原子力で使用可能なステンレス鋼やＣｒ−Ｍｏ鋼等の構造材との共存性が見通せる。比熱、熱伝導率等の熱媒体としての性能が、他の材料と比較して著しく劣らないこと等の特性があり、ナトリウムに比較して空気中において活性が小さく、又空気中の水分と激しく反応することのない有利さがあるために、鉛ビスマス合金は、核変換や高速増殖炉用の冷却剤として、Ｎａに代わる材料として有望視且つ期待されているが、その鉛ビスマス合金と冷却配管系の腐食の挙動が明らかでなく、実用化の課題となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら高速増殖炉の冷却系で使用される鉛ビスマス合金の溶存酸素濃度が測定できれば、上記問題は解決されるが、その長時間耐久性や熱衝撃性に関し種々の問題があり、その解決にはなかなか至っていない。
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、長時間耐久性や熱衝撃性の問題を解決し、溶融金属、特に高速増殖炉の冷却系で使用される鉛ビスマス合金の溶存酸素濃度を円滑に測定できる溶融金属の酸素濃度測定装置を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、ガス圧によって溶融金属とセンサとの接触面を調整しながら酸素濃度センサの熱衝撃を防止し得る酸素濃度測定装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、溶融金属の液位が可変可能に構成されたポット内に有底状の溶存酸素濃度検出体を挿設配置し、急激な熱衝撃が加わらない状態での測定を可能にしたことを特徴とする。
【０００７】
かかる発明によれば、例えば鉛ビスマス循環実験等の定常運転中に鉛ビスマス中の酸素濃度を任意の時期に測定可出来るとともに、酸素濃度を測定しない場合は、酸素濃度測定装置が鉛ビスマスに接触しないように液位を下げればよい。
特に鉛ビスマス循環実験装置の流量計校正試験時には、酸素濃度測定装置の溶存酸素検出体部分に急激な熱過度が加わる可能性があるため、酸素濃度測定装置が鉛ビスマスに接触しないようすることが容易である。
【０００８】
そして前記ポット内の測定レベルと非測定レベルへの液位の変更が前記ポットに加圧／減圧されるガス圧変化により行われるように調整すれば液位調整が容易である。
【０００９】
又前記ポット内に測定レベルと非測定レベルの液位を検知するセンサを設け、該センサが温度センサであるのがよい。
これにより液位レベルの検知と温度検知が可能であり、熱衝撃の阻止が出来る。
【００１０】
そして具体的には前記ポットを溶融金属循環系と連通させるとともに、前記ポット及び溶存酸素濃度検出体の検出部を加熱するヒータを設け、前記ポット及び溶存酸素濃度検出体を該ヒータにより前もって予熱した後に、溶融金属の液位レベルを上昇させて溶存酸素濃度検出体に接液させるのがよい。
【００１１】
又前記溶融金属が原子炉冷却系の熱媒体として使用される鉛ビスマス合金である場合に好適に使用されるものであるが、これ以外に鋳物用の溶融金属等においても利用でき、鋳物では酸素濃度が重要である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１３】
先ず本発明が適用される高速増殖炉の冷却系の熱媒体、特に鉛ビスマス合金を熱媒体として用いた冷却系の概略構成を図３に基づいて説明する。
図３は、高速増殖炉の炉外燃料貯蔵設備の冷却系統図で、１０１は炉外燃料貯蔵槽で、鉛ビスマス合金の冷却配管１０３が挿入されて該合金の循環により冷却されている。該貯蔵槽１０１内で加熱された鉛ビスマス合金は、電磁循環ポンプ１０４を介して鉛ビスマス合金の水蒸気等の水蒸気の凝縮を防止する純化系ダンプタンク１０２で適宜純化及び水分除去させながら空気冷却器１０５に導かれて、外気取り入れフィルタ１０６、ブロア１０７からなる空気冷却系により冷却された後、温度測定装置を介して再度炉外燃料貯蔵槽１０１に導かれる。
従って炉心から取り出された使用済み燃料は、炉外燃料貯蔵槽１０１内の鉛ビスマス合金に貯蔵される。使用済み燃料の崩壊熱は、熱媒体として鉛ビスマス合金を使用した２次冷却系を介して除熱され、その熱は２次冷却系内の空気冷却器１０５により大気中に放出される。
【００１４】
図４は図３の溶存酸素濃度測定装置を組み込んだ高速増殖炉の冷却系を模擬的に示す実験装置の鉛ビスマス合金を熱媒体とする閉鎖ループ図で、図３に準じて構成している。
１０１Ａは炉外燃料貯蔵槽１０１に対応する加熱器、１１１にはテストセクションとして過熱器が設けられている。１００は酸素測定装置、１０５Ａは空気冷却器、１１２は酸素測定装置の液位レベルの調整用の膨張タンク、１０２Ａはダンプタンクで、内部にデミスタ１０２ａが配置され、凝縮水分を乾燥し、水蒸気化している。
【００１５】
図１はかかる実験装置に使用される本発明の基本構成にかかる鉛ビスマス合金の溶存酸素濃度測定装置の基本構成図である。
本システムにおいて、１は有底円筒状の固体電解質からなる酸素イオン伝導性を有する溶存酸素（酸素イオン）検出体で、該溶存酸素検出体１は多結晶または単結晶のイットリア安定化ジルコニアからなり、円筒状であり一方の端が閉じた形状を有する。該検出体の有底内部にはネット（網）状の白金電極２が設けられており、又該白金電極には参照用リード線５を介してエレクトロメータ４が接続されている。この場合参照用リード線５として白金電極と同種の金属である白金線を用いている。
又、エレクトロメータ４の他端は、リード線６を介して鉛ビスマス合金の溶融液と電気的に接続されている。
【００１６】
溶存酸素検出体１の有底内部には、ガス注入管７より酸素分圧が既知の空気１１が導入されている。
又３は前記有底円筒状の検出体内部空間に配置され、該検出体を加熱するセラミックヒータで、鉛ビスマス合金溶存酸素（酸素イオン）検出体が約３００〜６００℃の範囲の温度に昇温されるように構成されている。
尚、前述の溶存酸素（酸素イオン）検出体１はイットリア安定化ジルコニアであることが望ましい。イットリア安定化ジルコニアは、高温高圧水中で充分な耐食性を有し、放射線場での劣化もほとんどない。
【００１７】
又上記酸素イオン伝導性を有する固体電解質体としては、酸化ジルコニウムを主成分とするセラミックスが好適である。この固体電解質体は、酸化ジルコニウム等の原料粉末と、酸化イットリウム、等の焼結助剤の粉末とを混合し、所定形状に成形する。又この固体電解質体に設けられる白金電極２は、白金のみならず、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウム等からなる群より選ばれる少なくとも１種以上を主成分とする導電性材料からなる薄膜状の電極として形成してもよい。これら電極の形成は、めっき法、スパッタリング法、金属塩の熱分解法等によって実施することができる。
【００１８】
又前述の溶存酸素検出体１等からなる酸素濃度計本体が挿設される鉛ビスマス合金溶融ポット１２は予熱可能に不図示のヒータが設けられているともに、アルゴンガスの圧力により液位が上昇下降可能に構成され、又該鉛ビスマスの液位を判定できるよう、検出体１の先端より低い位置ＴＥ４、溶存酸素検出体先端部ＴＥ３、測定時レベルＴＥ２及び高警報用レベルＴＥ１の各位置の液位を温度変化で計測できるよう熱電対を設置している。
【００１９】
次に、本装置の酸素濃度の測定原理を簡単に説明すると、酸素イオン導電性の固体電解質からなる溶存酸素検出体を隔壁として、有底内部に酸素分圧既知の参照ガス（空気）を、有底外部の検出端に鉛ビスマス溶融金属を接触させると、酸素濃淡電池が形成され、「数１」に示す式により、起電力が発生し、起電力は「数１」のＮＥＲＮＳＴ式（１）で表現され、鉛ビスマス系では、金属への酸素溶解反応から酸素計起電力Ｅと鉛ビスマス酸素濃度（重量％）｛Ｏ｝は「数１」の（２）式で表せられる。
【００２０】
【数１】

【００２１】
かかる実施例によれば、アルゴンガス導入管９より鉛ビスマス溶融ポット１２内にアルゴンガスを導入してポット１２内を加圧することにより、酸素濃度を測定しない場合は、酸素濃度計本体の溶存酸素検出体１が鉛ビスマスに接触しないよう検出体１の先端より低い位置の熱電対ＴＥ４を利用して非測定レベルまで液位を下げ、循環実験の定常運転中に鉛ビスマス中の酸素濃度の測定が必要な時にアルゴンガスを減圧して熱電対ＴＥ２を利用して測定時レベルまで液位を上げて検出体１を鉛ビスマス溶融金属に接触させて、測定を行う。
特に鉛ビスマス循環実験装置の流量計校正試験時には、酸素濃度計本体の溶存酸素検出体部分に急激な熱過度が加わる可能性があるため、この場合は酸素濃度計本体の検知体１が鉛ビスマスに接触しないよう液位を下げるのがよい。
【００２２】
図２は本発明の実施例にかかる高速増殖炉の冷却系で使用される鉛ビスマス合金の溶存酸素濃度測定装置の詳細構成図である。
基本構成図１と同様な構成部分を簡単に説明するに、１は有底円筒状の固体電解質からなる酸素イオン伝導性を有する溶存酸素検出体、２は、該検出体の有底内部に設けた白金電極で、該白金電極には参照用リード線５を介してエレクトロメータ４に接続されている。
又、エレクトロメータ４の他端はリード線６を介して溶存酸素検出体１の鉛ビスマス合金の溶融液接液面と接する接続フランジ１９と接続されている。
溶存酸素検出体１の有底内部には、ガス注入管７より酸素分圧が既知の空気１１が導入されている。
又３は前記有底円筒状の検出体１内部空間に配置され、該検出体１を加熱するセラミックヒータで、鉛ビスマス合金溶存酸素検出体１が約３００〜６００℃の範囲の温度に加熱されるように構成されている。
尚、前述の溶存酸素検出体１等からなる酸素濃度計本体が挿設される鉛ビスマス融金属ポット１２はマントルヒータが囲撓されている外筒１２Ｂと内筒１２Ａからなり、前記内筒１２Ａ内を配管９Ａ及び導入管９よりアルゴンガスの圧力が導入及び減圧させることにより溶融金属の液位が上昇下降可能に構成され、又該鉛ビスマスの液位を判定できるよう、検出体１の先端より低い位置ＴＥ４、溶存酸素検出体先端部ＴＥ３、測定時レベルＴＥ２及び高警報用レベルＴＥ１の各位置の液位を温度変化で計測できるよう熱電対が設置されている。
【００２３】
熱電対ＴＥは参照ガスを検知体１の白金電極近傍の温度測定位置ＴＥ６、セラミックヒータの先端位置ＴＥ７、マントルヒータ内壁位置ＴＥ８にも夫々配設されている。
尚、１０８は前記ポット１２下方で連通鉛ビスマス溶融金属の配管である。
又２５は前記筒状検出体の上部を支持する支持枠で、該支持枠には冷却マウントが囲撓されており、冷却水２２により冷却可能に構成されている。
【００２４】
次に、本酸素濃度測定装置の基本思想は下記のとおりとしている。
接液液体金属：溶融鉛ビスマス、接液温度：最高略５５０℃、設計圧力：０．３ＭＰａ〔ゲージ圧〕、温度変化率：５℃／ｍｉｎ以内とし、該酸素濃度測定装置の配設位置、鉛ビスマス循環実験装置のテストセクション（過熱器）出口側の高温部とする。
酸素濃度の測定は、内筒１２Ａ内の鉛ビスマス溶融合金の液位を導入管９よりアルゴンガスの減圧で上げ、酸素濃度測定装置の溶存酸素検出体部分に鉛ビスマス溶融金属を接液させる方法で測定するように構成しているが、上記溶融金属の液位の制御は、鉛ビスマス循環実験装置の膨張タンク及び酸素濃度測定装置ポット１２側のカバーガス（アルゴンガス）の圧力を調整することによっても可能なようにしている。
【００２５】
上記溶融金属の液位を上げた場合でも、酸素濃度測定装置の接続ポット１２の液位がエレクトロメータ４の測定ループのリード線６と接続された接続フランジ１９面に達しないよう、ポット１２を構成するマントルヒータ１２Ｂ内に内筒１２Ａを設け、内筒１２Ａと外筒（マントルヒータ）１２Ｂの間の空間にガス空間１６を設けている。
具体的にはポット部上側の接続フランジ１９と下側フランジ３０との間の内筒１２Ａと外筒（マントルヒータ）１２Ｂのガス空間１６に配管９Ｂよりアルゴンガスを導入している。
【００２６】
又酸素濃度測定装置には、鉛ビスマスの液位を判定できるよう、溶存酸素検出体の先端より低い位置ＴＥ４、溶存酸素検出体先端部ＴＥ３、測定時レベルＴＥ２及び高警報用レベルＴＥ１の各位置に熱電対を設置している点は前記したとおりである。又酸素濃度測定装置には、カバーガス（アルゴンガス）の圧力を測定できるよう、酸素濃度測定装置のチャンバ部及びポット部に連通する配管部分に圧力計ＰＩ１及びＰＩ２を設置している。又酸素濃度測定装置のカバーガス（アルゴンガス）の供給・排出が可能なよう、酸素濃度測定装置のチャンバ部及びポット部にガス供給・排出管９Ａ、９Ｂを接続し、小口径締切弁からなる均圧弁２９を設けている。
【００２７】
次に本装置の酸素濃度測定時の運転方法について図４及び図２に基づいて説明する。
酸素濃度測定装置の溶存酸素検出体内のヒータ３及び外筒を構成するマントルヒータ１２Ｂに通電させて、図４の冷却系ループの鉛ビスマス温度と同じ温度になるまで溶存酸素検出体１及び内筒１２Ａのチャンバ部等を緩やかに予熱する。次に膨張タンク１１２と酸素濃度測定装置１００側との均圧弁を閉止後膨張タンク１１２をわずかに加圧する。
【００２８】
その後酸素濃度測定装置１００収納部のアルゴンガス８の均圧弁２９をゆっくりと開けてガスを放出することにより減圧し、鉛ビスマス溶融金属の液位を上昇させて熱電対ＴＥ２が検知する位置まで上げて溶存酸素検出体１に鉛ビスマス溶融金属を接液させる。
この測定レベルでの酸素濃度を計測する。
この計測が終ったら、アルゴンガスを導入管９より導入してカバーガス空間１６の均圧を行い、鉛ビスマス溶融金属の液位を下降させて熱電対ＴＥ４が検知する位置まで下げて鉛ビスマス液位を非測定液位レベルに戻す。
以下前記動作を繰り返す。
【００２９】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、溶融金属、特に鋳物等の溶融金属や原子炉の冷却系で使用される鉛ビスマス合金の溶存酸素濃度を長時間耐久性や熱衝撃性の問題が生じることなく円滑に測定できる。
又本発明によれば、ガス圧によって溶融金属とセンサとの接触面を調整しながら酸素濃度センサの熱衝撃を防止し得る酸素濃度測定装置を提供出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成にかかる高速増殖炉の冷却系で使用される鉛ビスマス合金の溶存酸素濃度測定装置の基本構成図である。
【図２】本発明の実施例にかかる高速増殖炉の冷却系で使用される鉛ビスマス合金の溶存酸素濃度測定装置の詳細構成図である。
【図３】本発明が適用される高速増殖炉の冷却系の熱媒体、特に鉛ビスマス合金を熱媒体として用いた冷却系の概略構成図である。
【図４】図３の溶存酸素濃度測定装置を組み込んだ高速増殖炉の冷却系を模擬的に示す実験装置の鉛ビスマス合金を熱媒体とする閉鎖ループ図ある。
【符号の説明】
１溶存酸素検出体、
２白金電極
３セラミックヒータ
４エレクトロメータ
５参照用リード線
６リード線
１２鉛ビスマス融金属ポット（外筒１２Ｂと内筒１２Ａ）
１９接続フランジ
１００酸素測定装置
１０１加熱器
１０５Ａ空気冷却器
１１１テストセクション
１１２膨張タンク[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for measuring oxygen concentration of molten metal, and more particularly to an apparatus for measuring oxygen concentration capable of preventing thermal shock of an oxygen concentration sensor while adjusting the contact surface between the molten metal and the sensor by gas pressure. The present invention relates to an oxygen concentration measuring device for a cooling medium of a nuclear reactor such as a fast breeder reactor, particularly a lead bismuth alloy.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, sodium is used as a cooling heat medium for the secondary cooling system of the fast breeder reactor. That is, the spent fuel taken out from the core is stored in sodium in the out-of-core fuel storage tank. The decay heat of the spent fuel is removed through a secondary cooling system using sodium as a heat medium and released into the atmosphere by an air cooler in the secondary cooling system.
[0003]
However, hot sodium is very active in air and reacts violently with moisture in the air. For this reason, in the unlikely event that sodium leakage occurs, there is a possibility of causing a leak fire.
For this reason, it has been proposed to use a lead bismuth alloy as a heat medium for the secondary cooling system of the out-of-core fuel storage facility in the out-of-core fuel storage facility that performs spent decay storage of the spent fuel in the fast breeder reactor. (Japanese Patent Laid-Open No. 11-64571)
[0004]
The lead bismuth alloy covers a liquid range of about 150 ° C. to 500 ° C. so that the lead bismuth alloy can be cooled following the temperature conditions of the out-of-core fuel storage tank. Coexistence with structural materials such as stainless steel and Cr-Mo steel that can be used in nuclear power can be expected. Performance as a heat medium, such as specific heat and thermal conductivity, is not significantly inferior to other materials, and is less active in the air than sodium and is violent in moisture in the air. Lead bismuth alloy is promising and expected as a substitute for Na as a coolant for transmutation and fast breeder reactors because it has the advantage of not reacting. The behavior of corrosion of the system is not clear, which is a problem for practical use.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the dissolved oxygen concentration of the lead bismuth alloy used in the cooling system of the fast breeder reactor can be measured, the above problem can be solved, but there are various problems regarding its long-term durability and thermal shock resistance. It's not easy.
In view of the problems of the prior art, the present invention solves the problems of long-term durability and thermal shock resistance, and smoothes the dissolved oxygen concentration of molten metal, particularly lead bismuth alloy used in the cooling system of a fast breeder reactor. An object of the present invention is to provide an apparatus for measuring the oxygen concentration of a molten metal that can be measured.
Another object of the present invention is to provide an oxygen concentration measuring device capable of preventing a thermal shock of an oxygen concentration sensor while adjusting a contact surface between the molten metal and the sensor by gas pressure.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, the present invention inserts and arranges a bottomed dissolved oxygen concentration detector in a pot configured so that the liquid level of the molten metal can be changed, and in a state where a sudden thermal shock is not applied. It is possible to measure this.
[0007]
According to this invention, for example, the oxygen concentration in lead bismuth can be measured at any time during steady operation such as lead bismuth circulation experiment, and when the oxygen concentration is not measured, the oxygen concentration measuring device is in contact with lead bismuth. The liquid level may be lowered so that it does not occur.
In particular, during the flow meter calibration test of the lead bismuth circulation experiment device, there is a possibility of sudden thermal excess being applied to the dissolved oxygen detector part of the oxygen concentration measurement device, so the oxygen concentration measurement device should not be in contact with lead bismuth. Easy.
[0008]
The liquid level can be easily adjusted by changing the liquid level between the measurement level and the non-measurement level in the pot so as to be performed by a gas pressure change applied to the pot.
[0009]
It is preferable that a sensor for detecting the liquid level of the measurement level and the non-measurement level is provided in the pot and the sensor is a temperature sensor.
As a result, the liquid level and temperature can be detected, and thermal shock can be prevented.
[0010]
Specifically, the pot is connected to the molten metal circulation system, and a heater for heating the pot and the detection unit of the dissolved oxygen concentration detector is provided, and the pot and the dissolved oxygen concentration detector are preheated by the heater in advance. Later, the liquid level of the molten metal is preferably raised and brought into contact with the dissolved oxygen concentration detector.
[0011]
In addition, the molten metal is preferably used when it is a lead bismuth alloy used as a heat medium for a reactor cooling system, but it can also be used for molten metal for castings. Concentration is important.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in the drawings. However, unless otherwise specified, the dimensions, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are merely illustrative examples and not intended to limit the scope of the present invention.
[0013]
First, a schematic configuration of a cooling medium using a fast breeder reactor to which the present invention is applied, particularly a cooling system using a lead bismuth alloy as a heating medium will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a cooling system diagram of an out-of-core fuel storage facility of a fast breeder reactor, and 101 is an out-of-core fuel storage tank, which is cooled by circulation of the lead bismuth alloy cooling pipe 103 inserted therein. The lead bismuth alloy heated in the storage tank 101 is air purified while appropriately purifying and removing water in a purification system dump tank 102 that prevents condensation of water vapor such as water vapor of the lead bismuth alloy via an electromagnetic circulation pump 104. After being led to 105 and cooled by an air cooling system comprising an outside air intake filter 106 and a blower 107, it is led again to the out-of-furnace fuel storage tank 101 via a temperature measuring device.
Therefore, the spent fuel taken out from the core is stored in the lead bismuth alloy in the out-of-core fuel storage tank 101. The decay heat of the spent fuel is removed through a secondary cooling system using a lead bismuth alloy as a heat medium, and the heat is released into the atmosphere by the air cooler 105 in the secondary cooling system.
[0014]
FIG. 4 is a closed loop diagram using a lead bismuth alloy as a heat medium of an experimental apparatus simulating a cooling system of a fast breeder reactor incorporating the dissolved oxygen concentration measuring apparatus of FIG. 3, and is configured according to FIG. .
101A is a heater corresponding to the out-of-furnace

fuel storage tank

101, and 111 is provided with a superheater as a test section. Reference numeral 100 is an oxygen measuring device, 105A is an air cooler, 112 is an expansion tank for adjusting the liquid level of the oxygen measuring device, 102A is a dump tank, and a demister 102a is disposed inside, drying the condensed water and vaporizing it. ing.
[0015]
FIG. 1 is a basic configuration diagram of a dissolved oxygen concentration measuring apparatus for lead bismuth alloy according to the basic configuration of the present invention used in such an experimental apparatus.
In this system, reference numeral 1 is a dissolved oxygen (oxygen ion) detector having oxygen ion conductivity made of a bottomed cylindrical solid electrolyte, and the dissolved oxygen detector 1 is made of polycrystal or single crystal yttria stabilized zirconia. It is cylindrical and has a shape with one end closed. A net-like platinum electrode 2 is provided inside the bottom of the detection body, and an electrometer 4 is connected to the platinum electrode via a reference lead wire 5. In this case, a platinum wire which is the same kind of metal as the platinum electrode is used as the reference lead wire 5.
The other end of the electrometer 4 is electrically connected to a lead bismuth alloy melt via a lead wire 6.
[0016]
Air 11 having a known oxygen partial pressure is introduced from the gas injection pipe 7 into the bottomed inside of the dissolved oxygen detector 1.
Reference numeral 3 denotes a ceramic heater which is arranged in the inner space of the bottomed cylindrical detection body and heats the detection body. The lead bismuth alloy dissolved oxygen (oxygen ion) detection body is raised to a temperature in the range of about 300 to 600 ° C. It is configured to be heated.
The dissolved oxygen (oxygen ion) detector 1 is preferably yttria-stabilized zirconia. Yttria-stabilized zirconia has sufficient corrosion resistance in high-temperature and high-pressure water, and hardly deteriorates in a radiation field.
[0017]
As the solid electrolyte body having oxygen ion conductivity, ceramics mainly composed of zirconium oxide are suitable. The solid electrolyte body is formed into a predetermined shape by mixing raw material powder such as zirconium oxide and sintering aid powder such as yttrium oxide. The platinum electrode 2 provided on the solid electrolyte body is not only platinum but also a thin film made of a conductive material mainly composed of at least one selected from the group consisting of rhodium, palladium, ruthenium, osmium, iridium and the like. It may be formed as an electrode. These electrodes can be formed by a plating method, a sputtering method, a thermal decomposition method of a metal salt, or the like.
[0018]
In addition, the lead bismuth alloy melting pot 12 in which the oxygen concentration meter main body including the dissolved oxygen detector 1 is inserted is provided with a heater (not shown) so that it can be preheated, and the liquid level is increased by the pressure of argon gas. In order to be able to determine the liquid level of the lead bismuth, each position of the position TE4 lower than the tip of the detector 1, the dissolved oxygen detector tip TE3, the measurement level TE2 and the high alarm level TE1 can be determined. A thermocouple is installed so that the liquid level can be measured by temperature change.
[0019]
Next, the measurement principle of the oxygen concentration of this apparatus will be briefly described. A dissolved oxygen detector made of an oxygen ion conductive solid electrolyte is used as a partition, and a reference gas (air) with a known oxygen partial pressure is provided inside the bottom. When lead bismuth molten metal is brought into contact with the detection end outside the bottom, an oxygen concentration cell is formed, and an electromotive force is generated according to the equation shown in “Equation 1”, and the electromotive force is a NERNST equation (1) In the lead bismuth system, the oxygen meter electromotive force E and the lead bismuth oxygen concentration (% by weight) {O} are expressed by the equation (2) of “Equation 1” from the oxygen dissolution reaction in the metal.
[0020]
[Expression 1]

[0021]
According to this embodiment, when oxygen concentration is not measured by introducing argon gas into the lead bismuth melting pot 12 from the argon gas introduction tube 9 and pressurizing the pot 12, dissolved oxygen in the oximeter main body is measured. The liquid level is lowered to a non-measurement level using a thermocouple TE4 positioned lower than the tip of the detection body 1 so that the detection body 1 does not come into contact with lead bismuth, and the oxygen concentration in the lead bismuth is measured during steady operation of the circulation experiment. Is required, the argon gas is depressurized and the liquid level is raised to the measurement level using the thermocouple TE2, and the detector 1 is brought into contact with the lead bismuth molten metal to perform measurement.
In particular, during the flow meter calibration test of the lead bismuth circulation experiment device, there is a possibility that a sudden excess of heat may be applied to the dissolved oxygen detector portion of the oximeter body. The liquid level should be lowered so that it does not come into contact with the liquid.
[0022]
FIG. 2 is a detailed configuration diagram of the dissolved oxygen concentration measuring apparatus for lead bismuth alloy used in the cooling system of the fast breeder reactor according to the embodiment of the present invention.
The basic components similar to those shown in FIG. 1 will be described briefly. 1 is a dissolved oxygen detector having oxygen ion conductivity made of a bottomed cylindrical solid electrolyte, and 2 is provided inside the bottom of the detector. The platinum electrode is connected to the electrometer 4 via a reference lead wire 5.
The other end of the electrometer 4 is connected via a lead wire 6 to a connection flange 19 that is in contact with the molten liquid contact surface of the lead bismuth alloy of the dissolved oxygen detector 1.
Air 11 having a known oxygen partial pressure is introduced from the gas injection pipe 7 into the bottomed inside of the dissolved oxygen detector 1.
Reference numeral 3 denotes a ceramic heater which is disposed in the inner space of the bottomed cylindrical detection body 1 and heats the detection body 1. The lead bismuth alloy dissolved oxygen detection body 1 is heated to a temperature in the range of about 300 to 600 ° C. It is comprised so that.
The lead bismuth molten metal pot 12 into which the oxygen concentration meter main body composed of the dissolved oxygen detector 1 is inserted includes an outer cylinder 12B and an inner cylinder 12A in which a mantle heater is bent, and the inner cylinder 12A. The tip of the detector 1 is constructed so that the liquid level of the molten metal can be raised and lowered by introducing and reducing the pressure of the argon gas from the pipe 9A and the introduction pipe 9, and the liquid level of the lead bismuth can be determined. A thermocouple is installed so that the liquid level at each of the lower position TE4, the dissolved oxygen detector tip TE3, the measurement level TE2 and the high alarm level TE1 can be measured by temperature change.
[0023]
The thermocouple TE is also disposed at the temperature measurement position TE6 near the platinum electrode of the detector 1, the tip position TE7 of the ceramic heater, and the inner wall position TE8 of the mantle heater, respectively.
Reference numeral 108 denotes a pipe of molten lead bismuth molten metal below the pot 12.
Reference numeral 25 denotes a support frame that supports the upper portion of the cylindrical detection body. A cooling mount is surrounded by the support frame, and the cooling frame 22 can be cooled.
[0024]
Next, the basic idea of this oxygen concentration measuring apparatus is as follows.
Liquid contact metal: molten lead bismuth, liquid contact temperature: maximum approximately 550 ° C., design pressure: 0.3 MPa [gauge pressure], temperature change rate: within 5 ° C./min. The high temperature section on the outlet side of the test section (superheater) of the lead bismuth circulation experiment equipment.
The oxygen concentration is measured by raising the liquid level of the lead bismuth molten alloy in the inner cylinder 12A by reducing the pressure of argon gas from the introduction tube 9 and bringing the lead bismuth molten metal into contact with the dissolved oxygen detector portion of the oxygen concentration measuring device. The molten metal liquid level is controlled by adjusting the pressure of the cover tank (argon gas) on the expansion tank of the lead bismuth circulation experiment device and the oxygen concentration measuring device pot 12 side. It also makes it possible.
[0025]
Even when the liquid level of the molten metal is raised, the pot 12 is set so that the liquid level of the connection pot 12 of the oxygen concentration measuring device does not reach the surface of the connection flange 19 connected to the lead wire 6 of the measurement loop of the electrometer 4. An inner cylinder 12A is provided in the mantle heater 12B, and a gas space 16 is provided in a space between the inner cylinder 12A and the outer cylinder (mantle heater) 12B.
Specifically, argon gas is introduced into the gas space 16 of the inner cylinder 12A and the outer cylinder (mantle heater) 12B between the connecting flange 19 and the lower flange 30 on the upper side of the pot through the pipe 9B.
[0026]
Further, the oxygen concentration measuring device has a position TE4 lower than the tip of the dissolved oxygen detector, a position TE3 of the dissolved oxygen detector TE, a measurement level TE2 and a high alarm level TE1 so that the liquid level of lead bismuth can be determined. The point that the thermocouple is installed in is as described above. In the oxygen concentration measuring device, pressure gauges PI1 and PI2 are installed in a pipe portion communicating with the chamber portion and the pot portion of the oxygen concentration measuring device so that the pressure of the cover gas (argon gas) can be measured. In addition, the gas supply /

discharge pipes

9A and 9B are connected to the chamber portion and the pot portion of the oxygen concentration measuring device so that the cover gas (argon gas) of the oxygen concentration measuring device can be supplied / discharged, and is composed of a small-diameter cutoff valve. A pressure equalizing valve 29 is provided.
[0027]
Next, the operation method at the time of measuring the oxygen concentration of this apparatus will be described with reference to FIGS.
The dissolved oxygen detector 1 and the inner cylinder until the heater 3 in the dissolved oxygen detector of the oxygen concentration measuring device and the mantle heater 12B constituting the outer cylinder are energized to the same temperature as the lead bismuth temperature of the cooling system loop of FIG. Gently preheat the 12A chamber and the like. Next, after the pressure equalizing valve between the expansion tank 112 and the oxygen concentration measuring apparatus 100 is closed, the expansion tank 112 is slightly pressurized.
[0028]
Thereafter, the pressure equalizing valve 29 of the argon gas 8 in the oxygen concentration measuring device 100 storage portion is slowly opened to release the gas to reduce the pressure, and the liquid level of the lead bismuth molten metal is raised to a position where the thermocouple TE2 detects it. Then, the molten bismuth metal is brought into contact with the dissolved oxygen detector 1.
The oxygen concentration at this measurement level is measured.
When this measurement is finished, argon gas is introduced from the introduction pipe 9 to equalize the pressure in the cover gas space 16, and the liquid level of the lead bismuth molten metal is lowered to a position detected by the thermocouple TE4 to lead bismuth liquid. Return the position to the non-measurement level.
Thereafter, the above operation is repeated.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the dissolved oxygen concentration of molten metal, particularly molten metal such as casting, and lead bismuth alloy used in the cooling system of the reactor may cause problems of long-term durability and thermal shock. Can be measured smoothly.
In addition, according to the present invention, it is possible to provide an oxygen concentration measuring device capable of preventing the thermal shock of the oxygen concentration sensor while adjusting the contact surface between the molten metal and the sensor by gas pressure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a basic configuration diagram of a dissolved oxygen concentration measuring apparatus for lead bismuth alloy used in a cooling system of a fast breeder reactor according to the basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is a detailed configuration diagram of a dissolved oxygen concentration measuring device for lead bismuth alloy used in a cooling system of a fast breeder reactor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a cooling system using a cooling medium of a fast breeder reactor to which the present invention is applied, in particular, a lead bismuth alloy as a heating medium.
4 is a closed loop diagram using a lead bismuth alloy as a heat medium in an experimental apparatus simulating a cooling system of a fast breeder reactor incorporating the dissolved oxygen concentration measuring apparatus of FIG. 3;
[Explanation of symbols]
1 dissolved oxygen detector,
2 Platinum electrode 3 Ceramic heater 4 Electrometer 5 Reference lead wire 6 Lead wire 12 Lead bismuth molten metal pot (outer cylinder 12B and inner cylinder 12A)
19 Connecting flange 100 Oxygen measuring device 101 Heater 105A Air cooler 111 Test section 112 Expansion tank

Claims

A bottomed dissolved oxygen concentration detector is inserted and placed in a pot that is configured to allow the liquid level of the molten metal to be varied, enabling measurement without a sudden thermal shock. Equipment for measuring the oxygen concentration of molten metal.

2. The molten metal oxygen concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein the change of the liquid level between the measurement level and the non-measurement level in the pot is performed by a gas pressure change applied to the pot.

The apparatus for measuring an oxygen concentration of molten metal according to claim 1, wherein a sensor for detecting a liquid level of a measurement level and a non-measurement level is provided in the pot, and the sensor is a temperature sensor.

The pot is in communication with the molten metal circulation system, and a heater for heating the pot and the detection unit of the dissolved oxygen concentration detector is provided. After the pot and the dissolved oxygen concentration detector are preheated by the heater in advance, 2. The apparatus for measuring an oxygen concentration of a molten metal according to claim 1, wherein the liquid level is raised and brought into contact with the dissolved oxygen concentration detector.

The apparatus for measuring the oxygen concentration of a molten metal according to claim 1, wherein the molten metal is a lead bismuth alloy used as a heat medium for a reactor cooling system.