JPH03296695A - 希ガス濃縮装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はたとえば高速増殖炉（ＦＢＲ）のラギング法破
損燃料検出装置に使用されている低濃度の希ガスを活性
炭により深冷吸着して濃縮し、その成分を分析する装置
に好適した希ガス濃縮装置に関する。

（従来の技術） ラギング法による破損燃料検出装置は炉心内に配置され
ている核燃料集合体の燃料棒に炉心内位置の番地を示す
目印としてタグガスを封入し、燃料棒が破損すると、そ
の燃料棒の破損個所からタグガスが漏出し、カバーガス
中に混合するので、そのカバーガス中のタグガス成分を
分析することによって、何処の番地の燃料棒が破損して
いるかを検知するものである。カバーガスとは炉心を冷
却するための液体ナトリウム冷却材の表面を覆っている
カバーガス空間に充填された不活性ガスたとえばアルゴ
ンガスである。

また、タグガスとしてはキセノン、クリプトンなどの希
ガスと、その同位体が使用されている。

第１０図から第１２図を参照しながら従来のタギング法
による破損燃料検出装置およびその希ガス濃縮装置につ
いて説明する。なお１図中×は弁開を、Ｈは弁閉を、Ｘ
は弁の開閉を繰り返す状態を示している。また、啼はタ
グガスを含んだカバーガスの流れを、→は液体窒素の流
れを示している。

すなわち、第１Ｏ図に示したように原子炉カバーガス系
Ａからタグガスが含まれているカバーガスを第−段希ガ
ス濃縮装置［１（図では２基配置されているのでｌａ、
　ｌｂで示し、１基は待機中のものである）に流入する
。第１０図中、Ｂは廃ガス処理系を、Ｃは液体窒素供給
系を、Ｄは排気系をそれぞれ示しており、各系統へのガ
スなどの流れは矢印方向で示している。

この第−段希ガス濃縮装置１ａでは液体窒素供給系Ｃか
ら液体窒素が供給されて冷却され、活性炭による深冷吸
着法により希ガスを深冷吸着する。

深冷吸着法はカバーガス中に含まれる低濃度のタグガス
たとえばキセノン、クリプトンなどの希ガス同位体を約
−１８０℃の極低温状態で活性炭に吸着して濃縮する方
法である。

第−段希ガス濃縮装置１ａで吸着゛されたタグガスを含
むカバーガスは約１５０℃に加熱されて脱着し、第１１
図に示すように、第二段希ガス濃縮装ｗ２に移送される
。第二段希ガス濃縮装置２においても液体窒素供給系Ｃ
から液体窒素が供給されて冷却され、活性炭による深冷
吸着法により、再び希ガスを深冷吸着して濃縮する。そ
の後、約−８０℃に昇温し、カバーガスだけを選択的に
脱着分離したのち約１５０℃に加熱してタグガスを脱着
し、タグガスは分析装置１３へ送られ、排ガスは排気系
りに送られる。この分析装置３でタグガス、つまり希ガ
ス同位体の成分が分析される。その分析結果にもとづい
て炉心内の何処の番地の燃料棒が破損しているかを見分
けることができる。分析後、タグガスは廃ガス処理系Ｂ
へ排出される。

このようにして、第−段希ガス濃縮装置１、第二段希ガ
ス濃縮装置２の２段の活性炭深冷吸着及びカバーガスの
選択分離によってタグガス濃度を分析可能な濃度まで濃
縮し１分析装置３でタグガスの成分分析を行い、炉心内
での燃料破損の位置を検出する。

つぎに希ガス濃縮装置の構造を第１２図により説明する
。

第一段および第二段の希ガス濃縮装置１，２は大きさの
違いは有るが、構造的には同じものである。

希ガス濃縮装置は内筒４ａおよび外筒４ｂからなる真空
二重構造の断熱容器４を本体とし、この断熱容器４内の
上部開口は断熱材４Ｃを取りつけた蓋４ｄで気密に閉塞
されている。また、断熱容器４の内部には活性炭を充填
した活性炭吸着床５が配設されている。活性炭吸着床５
にはガス導入管６．伝熱管７、ガス流出管８が接続され
ている。タグガスを含んだカバーガスはガス導入管６か
ら流入し、伝熱管７を経て活性炭吸着床５に導入され、
タグガスは活性炭に吸着される。タグガスが除去された
カバーガスはガス流出管８から流出する。

つぎに活性炭吸着床５の温度制御システムについて説明
する。

冷却媒体としては液体窒素を使用し、液体窒素供給系Ｃ
から供給弁９、接続管１０を介して、液体窒素を供給し
、活性炭吸着床５の上方のスプレーノズル１１から噴震
供給する。

加熱媒体としては活性炭吸着床５の側方周囲に複数本挿
入された電気ヒータ１２を使用する。　活性炭吸着床５
には熱電対１３が取りつけられており、この熱電対１３
の信号を入力し、制御器１４から弁９の開閉信号および
電気ヒータ１２の出力信号を出力し、液体窒素の供給量
と電気ヒータ１２の出力を調整し、活性炭吸着床５の温
度制御を行う。噴震供給された液体窒素は大部分が希ガ
ス濃縮装置内で気化し、窒素ガスとなって窒素ガス出口
管１５から排気系りに放出される。

（発明が解決しようとする課題） 第１は前述したように噴霧供給された液体窒素は大気化
し、窒素ガスとして排気系に放出されるが、−１８０℃
の極低温状態に制御している運転モード時は供給された
液体窒素の一部は気化しないで希ガス濃縮装置内の底部
に残留し溜っている。

これは活性炭吸着床を一１８０℃に長時間安定して制御
する場合、液体窒素の温度的−１９６℃と差が小さいた
め、底部は一気に一１９６℃まで低下し、液体窒素が溜
まる。液体窒素が溜まれば、むしろ温度が安定し易く、
しかも弁９の開閉頻度も少なくなり制御上は好ましい。

しかしながら、次の運転モードつまり加熱モードに移行
すると、この残留液体窒素が温度制御に悪影響を与える
。すなわち、温度上昇を遅くすると同時に希ガス濃縮装
置内において、下部と上部とで温度差が大きくなり、温
度制御性が低下する。

第１２図において、加熱モードは電気ヒータ１２により
加熱される。この場合希ガス濃縮装置内には自然対流が
生じている。しかしながら、その内部を強制的に撹拌す
る手段が存在しないため、内部に数１０℃の温度差が生
じる。

また、−８０℃と、１５０℃の到達時に２０〜３０℃の
オーバシュートが発生する。

この温度差、つまりオーバシュートは活性炭吸着床５内
の温度のばらつきおよび超過温度となる。

この温度制御システムは活性炭の吸着性能の温度依存性
を応用したものであり、温度制御性がこのシステムの性
能上重要な課題がある。

このような課題に対して、加熱モード時に液体窒素をス
プレーノズルから間欠的に噴震し、希ガス濃縮装置内を
撹拌し、温度均一化を図り、かつオーバーシュートを抑
える装置が考えられる。しかしながら、この装置は昇温
速度が遅くなることおよび一時的に温度低下するなどの
課題がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、冷
却モードから加熱モードへの移行に際し、残留する液体
窒素を排出する手段を有し、かっこの手段を利用して加
熱モード時に装置内を温度均一にすることが可能な希ガ
ス濃縮装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は希ガスを含んだ被処理ガスを流入出させる活性
炭吸着床が断熱容器内に収納され、前記活性炭吸着床は
上方にスプレーノズルが側方に加熱ヒータが配置され、
前記スプレーノズルの入口側は液体窒素供給系に供給弁
を介して接続され、前記断熱容器内で気化した窒素ガス
の排出ノズルは前記断熱容器の上部に設けられて排気系
に接続され、前記活性炭吸着床内の温度を測定する熱電
対および制御器を有する検出制御系が設けられ、前記制
御器は前記供給弁および加熱ヒータに信号線で結線され
ている希ガス濃縮装置において、前記断熱容器には加圧
ガス供給管と前記容器内の底部まで挿入された液体窒素
排出管が設けられ、前記加圧ガス供給管は弁を介して加
圧ガス供給系に接続され、液体窒素排出管は前記排気系
または貯蔵容器に接続されていることを特徴とする。

（作　用） 加熱モードの移行時に窒素ガス出口管の下流の弁を閉と
し、加圧ガス供給系の弁を開とし、希ガス濃縮装置内を
たとえば窒素ガス圧力で加圧してサイフオン効果によっ
て液体窒素を液体窒素排出管から排気系に排出する。必
要な窒素ガス圧力は排気系との取合条件で異なるが、２
〜３　ｋｇ／Ｊ程度で十分である。

また、加熱モード時は窒素ガス出口管下流の弁を開とし
、間欠的に窒素ガスを加圧ガス供給管から供給すること
により希ガス濃縮装置内を撹拌し温度を均一化する。

（実施例） 第１図から第４図を参照しながら本発明に係る希ガス濃
縮装置の第１の実施例を説明する。

第１図において符号４は内筒４ａおよび外筒４ｂからな
る蓋４ｄの下部に断熱材４ｃを有する二重円筒状断熱容
器で、この断熱容器４内には活性吸着床５が配置されて
おり、この活性炭吸着床５にはガス導入管６が伝熱管７
を介して接続されている。活性炭吸着床５の出口側には
ガス流出管８が接続されており、ガス導入管６とガス流
出管８は蓋４ｄを貫通して断熱容器４外の図示してない
それぞれのタンクに接続されている。また断熱容器４内
にはスプレーノズル１１が配置されており、このスプレ
ーノズル１１は液体窒素供給系Ｃに供給弁９および接続
管１０を介して接続されている。さらに、断熱容器４内
にはヒータ１２が挿入されており、ヒータ１２は活性炭
吸着床５に設けられた熱電対１３の信号を入力する制御
器１４に結線されている。

蓋４ｄを貫通して窒素ガス出口管１５．加圧ガス供給管
１６および液体窒素排出管１７が断熱容器４内に挿入さ
れている。加圧ガス供給管１６は接続管１９および弁１
８を介して加圧ガス供給系としての窒素ガス供給系Ｅに
接続・されている。窒素ガス出口管１５は接続管２１お
よび弁２２を介して排気系りに接続されている。液体窒
素排出管１７は接続管２０を介して排気系りに接続され
ている。なお、接続管２０にはヒータ２３が設けられて
いる０図中符号２４は液体窒素である。

つぎに上記実施例の作用効果を第１図から第４図を参照
しながら説明する。

なお、図中←は液体窒素の流れを、ケは窒素ガスの流れ
を示し、×は弁開を、−禰は弁閉を、Ｈは間欠的に弁の
開閉を繰り返す状態をそれぞれ示している。

冷却モード時を第２図に示す。この場合、弁２２は開、
弁１８は閉状態で、弁９を開・閉して液体窒素の供給を
コントロールして、活性炭吸着床を一１８０℃に制御す
る。この場合、気化しないで残留する液体窒素２４を第
１図に示す。気化した窒素ガスは窒素ガス出口管１５か
ら排気系りに放出される。

つぎに加熱モード移行時を第３図に示す。

この場合、弁９，２２を閉とし、弁１８を開として加圧
ガス供給系としての窒素ガス供給系Ｅから加圧された窒
素ガスを供給し、希ガス濃縮装置内を窒素ガスの圧力で
加圧する。

残留液体窒素２４は窒素のガス圧で押されてサイフオン
効果で液体窒素排出管１７から押し出され、接続管２０
に設けた電気ヒータ２３で加熱され気化されて排気系り
に放出される。

加熱モード時を第４図に示す。

弁２２を開とし、間欠的に弁１８を開・閉し、窒素ガス
を供給して希ガス濃縮装置内を強制的に撹拌し、温度を
均一化する。

また、オーバシュートの防止および一８０℃に制御する
モード時には冷却作用を大きくする必要が有る場合など
、弁９を開閉し、液体窒素の供給噴震も同時に行うこと
ができる。

なお、加圧ガスとして、この実施例では窒素ガスを使用
している。窒素ガスは常温で供給するため、液体窒素温
度−１９６℃に比較して十分に高いので短期的には窒素
ガスが凝縮して圧力が加わらないことはないからである
。より機能を確実にするためにはヘリウムガスを使用し
ても良い。

上記実施例によれば加熱モード移行時に希ガス濃縮装置
内に残留していた液体窒素をガス圧力で押し出し、排出
することにより、加熱モード時の温度上昇を速くするこ
とができ、また装置内の温度差を小さくできる。

しかして、加熱モード時に装置内の撹拌を行うことがで
きるので、装置内の温度差を更に小さくできる。

かくして加熱モード時の温度制御性は改善され、温度依
存性を有する活性炭の吸着性能を応力したこのシステム
の吸着濃縮性能が向上する。

つぎに第５図から第９図を参照しながら本発明の他の実
施例を説明する。第５図から第９図は運転モードの変化
を示している。

なお、この実施例における断熱容器については第１図か
ら第４図に示した断熱容器４内の構造と同様なので、そ
の説明は省略する。

この実施例が前記実施例と異なる点は排気系りを除去し
、その代りに液体窒素回収容器２５を設けて、液体窒素
排出管１７を液体窒素回収容器２５に接続したことであ
る。この回収容器２５の作用の説明上、第一段および第
二段の希ガス濃縮装置１，２の各−基と回収容器２５の
関係を第５図から第９図までに示す。なお、図には第一
段の装置にはａ、第二段の装置にはｂを付けて区別する
。液体窒素排出管１７　（１７ａ、　１７ｂ）をバルブ
２６　（２６ａ、　２６ｂ）を介して回収容器２５に接
続する。

また、窒素ガス出口管１５　（１５ａ、　１５ｂ）の接
続管２１　（２１ａ、　２１ｂ）から分岐し、バルブ２
７　（２７ａ、　２７ｂ）を介して回収容器２５に接続
し、窒素ガス供給系Ｅと回収容器２５をバルブ２８を介
して接続管２９で接続する。さらに回収容器２５内の底
部まで挿入した液体窒素排出管３０をバルブ３１　（３
１ａ、　３１ｂ）を介して希ガス濃縮装置の液体窒素供
給管３２　（３２ａ、　３２ｂ）に接続する。

第５図は第−段希ガス濃縮装置１、第二段希ガス濃縮装
置２ともに冷却モードを示している。この場合、２基の
装置ともに弁１５ａ、　１５ｂ開、　２２ａ、　２２ｂ
開で、液体窒素を供給して一１８０℃に制御されており
、気化し・た窒素ガスは窒素ガス出口管１５０ａ。

１５ｂから排気系りに放出される。

第６図は第−段希ガス濃縮装置１が加熱モードに移行し
た場合を示している。第二段希ガス濃縮装置２は冷却モ
ードである。この場合弁１８ａ、　２６ａを開、弁９ａ
、　２２ａを閉とし、窒素ガス圧力によって第１段希ガ
ス濃縮装置内の残留液体窒素を押し出し、回収容器２５
内に排出する。この場合、回収容器２５内の圧力は排気
系りと接続されることによって微負圧になっている。ま
た、回収容器２５内のガスが排気系りに放出されるので
、液体窒素３３が回収容器２５内に流入される。

第７図は第−段希ガス濃縮装置１１の加熱モードで、第
二段希ガス濃縮装置２が加熱モードに移行する場合を示
している。第−段希ガス濃縮装置１は弁９ａ、　１８ａ
の開閉によって間欠的に窒素ガス（必要により液体窒素
）を供給する。装Ｍ１内は強制的に撹拌されており、窒
素ガスは窒素ガス出口管１５ａから排気系りに放出され
る。一方、第二段希ガス濃縮装置２は弁１８ｂ、　２６
ｂを開、弁９ｂ、　２２ｂを閉状態で残留液体窒素を窒
素ガスの圧力で回収容器２５に押し出す。

以上これまでの過程で回収容器２５に溜った液体窒素３
３は次の過程の第８図および第９図で希ガス濃縮装置の
冷却開始時に使用する。第８図は第−段希ガス濃縮装置
１の冷却開始時であり、第二段希ガス濃縮装置１２は加
熱モードである。この場合弁２８．３１ａを開とし、窒
素ガスによって回収容器２５を加圧し、液体窒素３３を
押し出し、接続管３ｏ弁３１ａ、接続管３２ａを介して
供給噴震し、第−段希ガス濃縮装置１を冷却する場合を
示している。

第９図は第二段希ガス濃縮装置２が冷却開始に移った時
点で、回収容器２５内の液体窒素３３を供給して冷却す
る場合を示している。

この実施例では残留液体窒素を電気ヒータで加熱気化し
て排気系に放出する。この場合、気化することによる圧
力上昇で液体窒素が逆流、または窒素ガスが逆流する可
能性があり、逆流防止装置を設ける必要がある。他の実
施例の場合は液体窒素を気化しないでそのままの状態で
貯蔵・再使用するので、逆流の可能性もなく、また液体
窒素の有効利用、省エネルギーを図ることができる。

［発明の効果〕 本発明によれば冷却モード時に希ガス濃縮装置内に残留
した液体窒素を加熱モード開始時に装置外に排出するこ
とによって加熱モード時の上昇スピードのアップと、装
置内の温度差が低減でき、温度制御性が向上し、吸着濃
縮性能のアップを図ることができる。

また、上記液体窒素排出手段によって加熱モード時に装
置内を強制的に撹拌し装置内温度差をさらに低減できる
。

排出した残留液体窒素を回収容器に貯めておき、冷却モ
ード開始時に再使用することによって液体窒素が有効に
利用でき、システムの熱エネルギーの損失が改善される
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る希ガス濃縮装置の一実施例を示す
縦断面図、第２図がら第４図はそれぞれ本発明に係る希
ガス濃縮装置の冷却モード時、加熱モード移行時、加熱
モード時の作用を説明するための概略系統図、第５図か
ら第９図はそれぞれ本発明の他の実施例における作用を
説明するための概略系統図、第１０図および第１１図は
ラギング法による破損燃料検査装置を説明するための概
略系統図、第１２図は従来の希ガス濃縮装置を示す縦断
面図である。 Ａ・・・原子炉カバーガス系　　Ｂ用廃ガス処理系Ｃ・
・・液体窒素供給系　　　　Ｄ・・・排気系Ｅ・・・窒
素ガス供給系 １・・・第−段希ガス濃縮装置　２・・・第二段希ガス
濃縮装置３・・・分析装置　　　　　　　４・・・断熱
容器５・・・活性炭吸着床　　　　　６・・・ガス導入
管７・・・伝熱管　　　　　　　　８・・・ガス流出管
９・・・供給弁 １０．１９，２０，２１，２９，３０，３２・・・接続
管１１・・・スプレーノズル　　　　１２，２３・・・
ヒータ１３・・・熱電対　　　　　　　　１４・・・制
御器１５・・・窒素ガス出口管　　　　１６・・・加圧
ガス供給管１７・・・液体窒素排出管　　　　１８，２
２，２６，２７，２８，３１・・・弁２４．３３・・・
液体窒素　　　　　２５・・・回収容器（８７３３）　
　代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ほか１名）第 図 第 ７ 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 希ガスを含んだ被処理ガスを流入出させる活性炭吸着床
   が断熱容器内に収納され、前記活性炭吸着床は上方にス
   プレーノズルが側方に加熱ヒータが配置され、前記スプ
   レーノズルの入口側は液体窒素供給系に供給弁を介して
   接続され、前記断熱容器内で気化した窒素ガスの排出ノ
   ズルは前記断熱容器の上部に設けられて排気系に接続さ
   れ、前記活性炭吸着床内の温度を測定する熱電対および
   制御器を有する検出制御系が設けられ、前記制御器は前
   記供給弁および加熱ヒータに信号線で結線されている希
   ガス濃縮装置において、前記断熱容器には加圧ガス供給
   管と前記容器内の底部まで挿入された液体窒素排出管と
   が設けられ、前記加圧ガス供給管は弁を介して加圧ガス
   供給系に接続され、液体窒素排出管は前記排気系または
   貯蔵容器に接続されていることを特徴とする希ガス濃縮
   装置。