JP2017221908A - ガス中粒子の捕集方法、並びに、ガス中粒子捕集ノズル，スクラバ，及びベント装置 - Google Patents

ガス中粒子の捕集方法、並びに、ガス中粒子捕集ノズル，スクラバ，及びベント装置 Download PDF

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Abstract

【課題】含塵ガスに含まれる粒子（エアロゾル）を効率良く分離捕集することができるようにする。【解決手段】ノズル１０が、ガス３の流れの上流側から順に縮小部１４，液吸引部２０を含む排気拡大部１６，平行部１７，及び吹出拡大部１８を流路として有すると共にスクラバ液４中に没入させられて配設され、流入したガス３を縮小部１４において圧縮してガス３の流れを加速してから排気拡大部１６へとガス３を排気して膨張させて更に加速させることにより、液吸引部２０におけるガス３の流れを超音速にして液吸引部２０において負圧を発生させて液吸引部２０からスクラバ液４を吸引しつつガス３とスクラバ液４とを平行部１７及び吹出拡大部１８へと吹き出すようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス中粒子の捕集方法、並びに、ガス中粒子捕集ノズル，スクラバ，及びベント装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、例えば原子炉格納容器から外部へと放出されるガスに含まれる粒子を捕集する際に用いられて好適な技術に関する。
沸騰水型原子炉の格納容器内で事故が発生した際に当該格納容器の破損を防ぐために当該格納容器から外部へと放出されるガス（具体的には、放射性物質を含んだ蒸気）から放射性物質を除去する従来の技術として、図３に示すように、原子炉圧力容器１０２を格納する格納容器１０１から放出される放射性物質を含むガスが、ドライウェル１０３から降下するベント管１０４を通って格納容器１０１の下部に設けられたサプレッションプール１０５の水中に放出されて当該水中を通過してから格納容器１０１から排出され、そして、繊維径５〜１２ μｍ 且つ充填密度１００〜３００ ｋｇ／ｍ3 のフィルタが充填された小型ユニットを多数組合せて構成されたフィルタカートリッジ１０７が内部に設けられているフィルタベント容器１０８へと排ガス入口管台１０６から流入し、フィルタカートリッジ１０７を通過する際に放射性物質がフィルタに物理的に吸着することによって除去された上で、フィルタベント容器１０８と接続するスタック１０９を通って屋外環境へと放出されるものがある（特許文献１）。
特開平７−２０９４８８号公報
特許文献１に記載されているような、サプレッションプール１０５とその後段のフィルタベント容器１０８とから構成される沸騰水型原子炉用フィルタベント装置では、ガスに含まれる水溶性及びエアロゾル状の放射性物質はサプレッションプール１０５におけるスクラビング効果で水中に移行して捕集され、また、サプレッションプール１０５で捕集しきれなかったエアロゾルや水滴の飛沫はフィルタベント容器１０８のフィルタカートリッジ１０７によって捕集される。
したがって、サプレッションプール１０５でのスクラバにおいて、ガスに含まれる水溶性及びエアロゾル状の放射性物質（言い換えると、放射性物質粒子）が可能な限り捕集されることが望まれる。
そこで、本発明は、含塵ガスに含まれる粒子（エアロゾル）を効率良く分離捕集することができる、ガス中粒子の捕集方法を提供すると共に、ガス中粒子捕集ノズルやそのようなガス中粒子捕集ノズルを備えるスクラバ、および、そのようなスクラバを備えるベント装置を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するため、本発明のガス中粒子の捕集方法は、ノズルを通じてガスが液体中に吹き出されることによってガスに含まれる粒子が液体に捕集される方法であり、ノズルが、ガスの流れの上流側から順に縮小部，液吸引部を含む排気拡大部，平行部，及び吹出拡大部を流路として有すると共に液体中に没入させられて配設され、流入したガスを縮小部において圧縮してガスの流れを加速してから排気拡大部へとガスを排気して膨張させて更に加速させることにより、液吸引部におけるガスの流れを超音速にして液吸引部において負圧を発生させて液吸引部から液体を吸引しつつガスと液体とを平行部及び吹出拡大部へと吹き出すようにしている。
本発明のガス中粒子捕集ノズルは、ガスの流れの上流側から順に縮小部，液吸引部を含む排気拡大部，平行部，及び吹出拡大部を流路として有すると共に液体中に没入させられて配設され、流入したガスを縮小部において圧縮してガスの流れを加速してから排気拡大部へとガスを排気して膨張させて更に加速させることにより、液吸引部におけるガスの流れを超音速にして液吸引部において負圧を発生させて液吸引部から液体を吸引しつつガスと液体とを平行部及び吹出拡大部へと吹き出すようにしている。
本発明のスクラバは、液体を貯留するスクラバタンクと、液体中に没入させられて配設されると共に液体中にガスを吹き出すノズルとを有し、当該ノズルは、ガスの流れの上流側から順に縮小部，液吸引部を含む排気拡大部，平行部，及び吹出拡大部を流路として有し、流入したガスを縮小部において圧縮してガスの流れを加速してから排気拡大部へとガスを排気して膨張させて更に加速させることにより、液吸引部におけるガスの流れを超音速にして液吸引部において負圧を発生させて液吸引部から液体を吸引しつつガスと液体とを平行部及び吹出拡大部へと吹き出すようにしている。
本発明のベント装置は、液体を貯留するスクラバタンクと、液体中に没入させられて配設されると共に液体中にガスを吹き出すノズルと、液体の上方に配設されるフィルタとを有し、ノズルは、ガスの流れの上流側から順に縮小部，液吸引部を含む排気拡大部，平行部，及び吹出拡大部を流路として有し、流入したガスを縮小部において圧縮してガスの流れを加速してから排気拡大部へとガスを排気して膨張させて更に加速させることにより、液吸引部におけるガスの流れを超音速にして液吸引部において負圧を発生させて液吸引部から液体を吸引しつつガスと液体とを平行部及び吹出拡大部へと吹き出し、さらに、ノズルから吹き出されて液体を通過したガスをフィルタを通過させた上でスクラバタンクから放出するようにしている。
したがって、これらのガス中粒子の捕集方法並びにガス中粒子捕集ノズル，スクラバ，及びベント装置によると、縮小部における圧縮と排気拡大部における膨張とによって液吸引部においてガスの流れを超音速にして発生させた負圧によって液体を吸引しつつガスと液体とを平行部及び吹出拡大部へと吹き出すようにしているので、平行部及び吹出拡大部においてガス（当該ガス中の粒子を含む）と液体の液滴との相対速度でガス中の粒子と液滴とが衝突してガス中の粒子が液体に捕集されてガスから除去される。
また、本発明のガス中粒子の捕集方法は、ノズルが縮小部を有する第一の部材と平行部及び吹出拡大部が形成された第二の部材とから構成され、第一の部材と第二部材とが離間して配設されてこれら第一の部材と第二の部材との間の間隙が液吸引部として機能するようにしても良い。また、本発明のガス中粒子捕集ノズルは、縮小部を有する第一の部材と平行部及び吹出拡大部が形成された第二の部材とから構成され、第一の部材と第二部材とが離間して配設されてこれら第一の部材と第二の部材との間の間隙が液吸引部として機能するようにしても良い。これらの場合には、二つの部材の間の間隙が液吸引部として機能するようにしているので、液吸引部が全周の空隙として構成されることになり、液吸引部への液体の吸水効率が高められて吸引が高効率で行われる。
また、本発明のガス中粒子の捕集方法は、ノズルの排気拡大部における圧力と縮小部における圧力との比が０．１〜０．５であるようにしても良い。また、本発明のガス中粒子捕集ノズルは、排気拡大部における圧力と縮小部における圧力との比が０．１〜０．５であるようにしても良い。これらの場合には、縮小部と排気拡大部との間における圧力の落差が十分に確保されるので、排気拡大部におけるガスの膨張による加速の効果が十分に得られる。
本発明のガス中粒子の捕集方法並びにガス中粒子捕集ノズル，スクラバ，及びベント装置によれば、縮小部における圧縮と排気拡大部における膨張とによって液吸引部においてガスの流れを超音速にして発生させた負圧によって液体を吸引するようにしているので、ガスの流量が大きい場合でも、流動抵抗よりも大きな膨張する力による高速流（具体的には、超音速流）によって高い負圧を発生させて液吸引部において周囲の圧力との関係で負圧であることを維持し延いては液吸引部における吸引力を維持するようにすることができ、液吸引部において液体を吸引しつつガスと液体とを平行部及び吹出拡大部へと吹き出してガス中の粒子と液体の液滴とを衝突させてガス中の粒子を液体に捕集してガスから除去することが可能になり、延いてはガス中粒子の捕集技術としての信頼性の向上を図ることが可能になる。
本発明のガス中粒子の捕集方法やガス中粒子捕集ノズルは、ノズルが二つの部材で構成されてこれら二つの部材の間の間隙が液吸引部として機能するようにした場合には、液吸引部への液体の吸水効率を高めて吸引を高効率で行うことができるので、ガス中の粒子と液滴との衝突の効率を高めることが可能になり、延いてはガス中粒子の捕集技術としての性能の向上が可能になる。
本発明のガス中粒子の捕集方法やガス中粒子捕集ノズルは、ノズルの排気拡大部における圧力と縮小部における圧力との比が０．１〜０．５であるようにした場合には、排気拡大部におけるガスの膨張による加速の効果を十分に得ることができるので、ガス中の粒子と液滴との衝突の効率を高めることが可能になり、延いてはガス中粒子の捕集技術としての性能の向上が可能になる。
実施形態のベント装置の概略構造を示す縦断面図である。 実施形態のガス中粒子捕集ノズルの概略構造を示す縦断面図である。 従来のフィルタベント装置の概略構造を示す縦断面図である。
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明において、単位であることを明確にするために単位としての記号や文字を〔 〕で括って表記する場合がある。
図１及び図２に、本発明のガス中粒子の捕集方法、並びに、ガス中粒子捕集ノズル，スクラバ，及びベント装置の実施形態の一例を示す。
なお、図１及び図２は、あくまでも本発明に係るノズルや装置の構成を説明するための概念図であり、部位・部材相互の寸法関係や具体詳細な構造を規定するものではない。
本実施形態では、本発明が、原子力発電設備としての原子炉格納容器内のガスを外部へと放出する「ベント」と呼ばれる操作によって放出されるガス（「ベントガス」とも呼ばれる）に含まれる放射性物質粒子の捕集に適用された場合を例に挙げて説明する。
具体的には、本実施形態では、原子炉圧力容器が格納されている原子炉格納容器と本実施形態のベント装置９とがガス流動管路２によって接続されている。
ベントが行われると、原子炉格納容器内のガス３は、ガス流動管路２を通過してベント装置９へと排出され、ベント装置９によってガス３に含まれている放射性物質粒子が捕集された上で放出経路６から外部（例えば、屋外環境）へと放出される。
そして、本実施形態のガス中粒子の捕集方法は、ガス中粒子捕集ノズル１０を通じてガス３がスクラバ液４中に吹き出されることによってガス３に含まれる粒子がスクラバ液４に捕集される方法であり、ガス中粒子捕集ノズル１０が、ガス３の流れの上流側から順に縮小部１４，液吸引部２０を含む排気拡大部１６，平行部１７，及び吹出拡大部１８を流路として有すると共にスクラバ液４中に没入させられて配設され、流入したガス３を縮小部１４において圧縮してガス３の流れを加速してから排気拡大部１６へとガス３を排気して膨張させて更に加速させることにより、液吸引部２０におけるガス３の流れを超音速にして液吸引部２０において負圧を発生させて液吸引部２０からスクラバ液４を吸引しつつガス３とスクラバ液４とを平行部１７及び吹出拡大部１８へと吹き出すようにしている。
また、本実施形態のガス中粒子捕集ノズル１０は、ガス３の流れの上流側から順に縮小部１４，液吸引部２０を含む排気拡大部１６，平行部１７，及び吹出拡大部１８を流路として有すると共にスクラバ液４中に没入させられて配設され、流入したガス３を縮小部１４において圧縮してガス３の流れを加速してから排気拡大部１６へとガス３を排気して膨張させて更に加速させることにより、液吸引部２０におけるガス３の流れを超音速にして液吸引部２０において負圧を発生させて液吸引部２０からスクラバ液４を吸引しつつガス３とスクラバ液４とを平行部１７及び吹出拡大部１８へと吹き出すようにしている。
また、本実施形態のスクラバは、スクラバ液４を貯留するスクラバタンク１と、スクラバ液４中に没入させられて配設されると共にスクラバ液４中にガス３を吹き出すガス中粒子捕集ノズル１０とを有し、当該ガス中粒子捕集ノズル１０は、ガス３の流れの上流側から順に縮小部１４，液吸引部２０を含む排気拡大部１６，平行部１７，及び吹出拡大部１８を流路として有し、流入したガス３を縮小部１４において圧縮してガス３の流れを加速してから排気拡大部１６へとガス３を排気して膨張させて更に加速させることにより、液吸引部２０におけるガス３の流れを超音速にして液吸引部２０において負圧を発生させて液吸引部２０からスクラバ液４を吸引しつつガス３とスクラバ液４とを平行部１７及び吹出拡大部１８へと吹き出すようにしている。
また、本実施形態のベント装置９は、スクラバ液４を貯留するスクラバタンク１と、スクラバ液４中に没入させられて配設されると共にスクラバ液４中にガス３を吹き出すガス中粒子捕集ノズル１０と、スクラバ液４の上方に配設されるフィルタ５とを有し、ガス中粒子捕集ノズル１０は、ガス３の流れの上流側から順に縮小部１４，液吸引部２０を含む排気拡大部１６，平行部１７，及び吹出拡大部１８を流路として有し、流入したガス３を縮小部１４において圧縮してガス３の流れを加速してから排気拡大部１６へとガス３を排気して膨張させて更に加速させることにより、液吸引部２０におけるガス３の流れを超音速にして液吸引部２０において負圧を発生させて液吸引部２０からスクラバ液４を吸引しつつガス３とスクラバ液４とを平行部１７及び吹出拡大部１８へと吹き出し、さらに、ガス中粒子捕集ノズル１０から吹き出されてスクラバ液４を通過したガス３をフィルタ５を通過させた上でスクラバタンク１から放出するようにしている。
なお、本実施形態のベント装置９は、フィルタ５を備える点で、「フィルタベント装置」や「フィルタ付ベント装置」などとも呼ばれる。また、以下の説明では、ガス中粒子捕集ノズル１０を単に「ノズル１０」と表記する。
ノズル１０は、原子炉格納容器と連通しているガス流動管路２の端部に、通常は複数取り付けられる。この状態で、ノズル１０は、ベント装置９の下部に貯留されているスクラバ液４中に没入している。
原子炉格納容器から排出されたガス３はガス流動管路２を通過してノズル１０を通じてスクラバ液４中に吹き出される。そして、スクラバ液４中に吹き出されたガス３に含まれている水溶性物質及び粒子（エアロゾル）がスクラバ液４に捕集される。また、スクラバ液４を通過して上昇したガス３は更にフィルタ５を通過し、当該フィルタ５を通過する間にスクラバ液４によって捕集しきれなかったエアロゾルや飛沫がフィルタ５に捕集される。フィルタ５を通過したガス３は放出経路６からスクラバタンク１の外部へと放出される。
スクラバ液４の種類（言い換えると、成分）は、特定のものに限定されるものではなく、例えば捕集すべき成分（言い換えると、捕集対象成分）などが考慮された上で適当なものが適宜選択される。原子炉格納容器から排出されるガスを処理するためのベント装置におけるスクラバ液としては、具体的には例えば、ヨウ素(Ｉ)を吸収することが考慮され、水酸化ナトリウム(ＮａＯＨ)水溶液とチオ硫酸ナトリウム(Ｎａ2Ｓ2Ｏ3)水溶液との混合溶液が用いられ得る。なお、捕集すべき成分（捕集対象成分）によっては、スクラバ液として水(Ｈ2Ｏ)が用いられるようにしても良い。
また、フィルタ５の組成も、特定のものに限定されるものではなく、例えば捕集対象物の特性などが考慮された上で適当なものが適宜選択される。原子炉格納容器から排出されるガスを処理するためのベント装置におけるフィルタとしては、具体的には例えば、ステンレス繊維フィルタなどの金属繊維フィルタが用いられ得る。
ノズル１０は、ガス流動管路２と連通して原子炉格納容器から排出されたガス３を取り入れる導入部１３と、当該導入部１３と連続して形成される縮小部１４と、当該縮小部１４に隣接して設けられる排気拡大部１６と、当該排気拡大部１６に設けられる液吸引部２０と、排気拡大部１６に隣接して設けられる平行部１７と、当該平行部１７と連続して形成される吹出拡大部１８とを有する。なお、本発明では、ノズル１０の流路について、ガス３が流れる向きを基準として、導入部１３の入口１３ａ側を上流側とし、吹出拡大部１８の出口１８ａ側を下流側とする。
なお、導入部１３はガス流動管路２と連通してガス３を縮小部１４へと導くためにつなぎとして働く部位であり、当該導入部１３が特定の形状で明示的に設けられることは本発明において必須の構成ではなく、導入部１３として明示的な部分が設けられないようにしても良く、或いは、導入部としての働きを含むものとして縮小部１４が形成されるようにしても良い。
本実施形態では、また、排気拡大部１６が、縮小部１４と連続して形成される排気部１５と、当該排気部１５と平行部１７との間の液吸引部２０とから構成される。
ノズル１０におけるガス３の流路の形状としては、縮小部１４が下流側に向かって次第に内径が小さくなるテーパ状に形成され、当該縮小部１４の下流側端部（即ち、縮小部１４の出口１４ａ）がノズル１０におけるガス３の流路として断面積が最も小さくなるように形成される。また、縮小部１４の出口１４ａと連続して排気部１５が下流側に向かって次第に内径が大きくなるテーパ状に形成され、液吸引部２０を挟んで、平行部１７が内径が一定であるように形成され、さらに、当該平行部１７の下流側端部（即ち、平行部１７の出口１７ａ）と連続して吹出拡大部１８が下流側に向かって次第に内径が大きくなるテーパ状に形成される。
本実施形態のノズル１０は、外形が概ね円柱状であると共に軸心方向に沿って導入部１３，縮小部１４，及び排気拡大部１６の一部としての排気部１５が内部に形成されている部材（「第一の部材１１」と呼ぶ）と、外形が概ね円柱状であると共に軸心方向に沿って平行部１７及び吹出拡大部１８が内部に形成されている部材（「第二の部材１２」と呼ぶ）との二つの部材から構成される。
そして、第一の部材１１と第二の部材１２とが、各々の軸心が同軸上に揃えられて並べられ、且つ、第一の部材１１の排気部１５と第二の部材１２の平行部１７との間に隙間が設けられて離間して配設される。
なお、テーパ状に形成される排気部１５の内径の広がりの角度及び下流側端部（即ち、排気部１５の出口１５ａ）の内径の寸法と、平行部１７の内径の寸法とは、縮小部１４から排気されて排気部１５において膨張して流動するガス３の全て若しくは概ね全てが平行部１７に流れ込むように相互に調整される。
そして、本実施形態では、第一の部材１１と第二の部材１２との間の間隙が液吸引部２０として機能する。本実施形態のように、第一の部材１１と第二の部材１２との二部材によってノズル１０が構成されると共にこれら二部材１１，１２が離間して配設されることにより、これら二部材１１，１２の間の隙間を液吸引部２０として機能させることになり、すなわち、液吸引部２０が全周の空隙として構成されることになり、液吸引部２０へのスクラバ液４の吸水効率が高められて吸引が高効率で行われるようになる。
第一の部材１１と第二の部材１２とは相互の位置関係が固定されて配設されるところ、これら二つの部材１１，１２の固定の仕方は、液吸引部２０におけるスクラバ液４の吸い込みの支障にならない態様であれば、どのような機序であっても構わない。具体的には例えば、第一の部材１１と第二の部材１２とは、これら二つの部材１１，１２に掛け渡されて取り付けられる固定部材２１によって相互の位置関係が固定されて配設されることが考えられる（なお、図２に示す例における固定部材２１は、あくまでもその態様の一例であり、ノズル１０自体の構造を分かり易く示すことも考慮し、仮想線として一点鎖線で表示している）。この場合の固定部材２１は、一組の第一の部材１１と第二の部材１２とに対し、一つ取り付けられるようにしても良く、または、複数取り付けられるようにしても良い。あるいは、第一の部材１１と第二の部材１２との相互の位置関係を固定した状態で（複数の）第一の部材１１を固定して配設する機序（喩えて言うなら「第一の固定部材」）と（複数の）第二の部材１２を固定して配設する機序（喩えて言うなら「第二の固定部材」）とがそれぞれ設けられるようにしても良い。
本発明に係るノズルは、液吸引部における流体（具体的には、ガス）の流速が超音速であることを条件とする。
ここで、排気拡大部１６（具体的には、排気部１５，液吸引部２０）における流体の流速（「排気速度」と呼ぶ）は数式１によって計算される。
数式１において、ｖe：排気速度〔ｍ／ｓ〕，Ｔ：流入ガス温度〔Ｋ〕，Ｒ：気体定数(＝８３１４)〔Ｊ／ｋｍｏｌ Ｋ〕，Ｍ：ガスの分子量〔ｇ／ｍｏｌ〕，γ：等エントロピー膨張係数(＝１．４)，ｐe：排気絶対圧力〔Ｐａ〕，及びｐ：流入絶対圧力〔Ｐａ〕である。
数式１から、流入ガス温度Ｔが一定であるとすると、ガスの排気速度ｖeは排気絶対圧力ｐeと流入絶対圧力ｐとの比（ｐe／ｐ）で決まることが分かる。例えば、排気部１５（言い換えると、縮小部１４の出口１４ａ付近）の圧力（＝ｐe）が０．５気圧（絶対圧）とすると縮小部１４の圧力（＝ｐ）は３．１気圧（絶対圧）になり、すなわち、排気部１５の圧力−５００〔ｋＰａ〕（ゲージ圧）とすると縮小部１４の圧力は２６０〔ｋＰａ〕（ゲージ圧）になる。
本発明に係るノズル１０は、縮小部１４と当該縮小部１４の出口１４ａと連続する排気部１５との間における圧力の落差（即ち、ｐ−ｐe）が十分に大きくなるように設計され、すなわち、縮小部１４での圧力損失（言い換えると、消費エネルギー）が十分に大きくなるように設計され、このエネルギーがガス３の加速に使用される。
そして、排気部１５（さらに言えば、排気部１５を含む排気拡大部１６）における排気絶対圧力ｐeが周囲の圧力よりも小さくなり、排気拡大部１６に設けられている液吸引部２０において負圧が発生し、当該液吸引部２０からスクラバ液４が吸い込まれる。なお、排気部１５においてガス３の流速ｖeが最大になり、これに伴い、ベルヌーイの定理からも導き出されるように排気部１５において負圧が最大になり、結果として液吸引部２０におけるスクラバ液４を吸い込む吸引力が最大になる。なお、上記説明における「周囲の圧力」とは、ノズル１０が没入しているスクラバ液４の、液吸引部２０の位置における水圧である。
ここで、ガス３の流量が大きくなるに従って排気部１５（さらに言えば、排気部１５を含む排気拡大部１６）での流動抵抗が大きくなって排気部１５におけるガス３の膨張力が流動抵抗に起因する圧縮力よりも小さくなり、圧力損失の転換として得られる加速の効果が低減する（具体的には、超音速になることができない傾向になる）。この場合、排気部１５におけるガス３の加速に伴う圧力の低減によっても「液吸引部２０における圧力」＞「周囲の圧力」となり、液吸引部２０においてスクラバ液４を吸引しなくなってしまう。
このため、本発明では、ノズル１０は、ガス３の流量が大きい場合（言い換えると、高流量域）でも、排気部１５（排気部１５を含む排気拡大部１６）におけるガス３の膨張力が流動抵抗に起因する圧縮力よりも大きくなるように調整される。
すなわち、ノズル１０は、排気拡大部１６における流動抵抗よりも大きな膨張力による高速流（具体的には、超音速流）によって高い負圧を発生させ、液吸引部２０において周囲の圧力との関係で負圧であることが維持され、延いては液吸引部２０におけるスクラバ液４を吸い込む吸引力が維持されるように設計される。
具体的には、ノズル１０では、原子炉格納容器から排出されたガス３がガス流動管路２を通過して導入部１３から流入し、当該導入部１３と連続する縮小部１４においてガス３が高い圧力で圧縮されてガス流が加速して音速若しくは概ね音速程度（即ち、図２中のｖは音速若しくは概ね音速程度）になり、排気部１５（さらに言えば、排気部１５を含む排気拡大部１６）においてガス３が膨張してガス流が更に加速して超音速（即ち、図２中のｖeは超音速）になる。なお、縮小部１４におけるガス３の圧力が数式１における流入絶対圧力ｐであり、排気部１５におけるガス３の圧力が数式１における排気絶対圧力ｐeである。
縮小部１４から排気されたガス３が液吸引部２０を通過すると共に当該液吸引部２０において負圧効果によってスクラバ液４が吸い込まれることにより、放射性物質粒子を含むガス３とスクラバ液４とが混合され、ガス３とスクラバ液４とが混合された状態で平行部１７へと流動する。
そして、平行部１７と吹出拡大部１８とにおいてガス３（当該ガス３中の粒子を含む）とスクラバ液４の液滴との相対速度でガス３中の粒子と液滴とが衝突してガス３中の粒子がスクラバ液４に捕集されてガス３から除去される。
具体的には、液吸引部２０においてスクラバ液４とガス３とが混合した上で平行部１７においてガス３の流れの加速に伴って（言い換えると、引き摺られて）スクラバ液４の液滴が加速する。このとき、ガス３と液滴との相対速度は平行部１７の入口で大きい（なお、ガス３の流速＞液滴の速度 である）ため、平行部１７を通過する際にガス３中の粒子が液滴に衝突して捕集・除去される。そして、平行部１７ではガス３の流速は一定である一方で液滴はガス３の流れの影響によって次第に加速し、平行部１７の出口１７ａ若しくはその付近で相対速度がゼロ近く（即ち、ガス３の流速と液滴の速度とが同程度）になる。さらに、吹出拡大部１８では液滴は慣性力が大きいために減速し難い一方でガス３の流れは流路としての吹出拡大部１８の断面積に応じて減速して ガス３の流速＜液滴の速度 になるため、吹出拡大部１８を通過する際には液滴がガス３中の粒子に衝突してガス３中の粒子が捕集・除去される。
ここで、縮小部１４においてガス３を高い圧力で圧縮してガス流を加速させて音速若しくは概ね音速程度にした上で排気して排気部１５（言い換えると、排気拡大部１６）においてガス３を膨張させてガス流を更に加速させて超音速にするように縮小部１４が設計されることにより、言い換えると、縮小部１４における音速若しくは概ね音速程度と排気部１５（さらに言えば、排気部１５を含む排気拡大部１６）における超音速とを実現し得るように縮小部１４における絞りの程度（縮小部１４の出口１４ａの断面積の大きさを含む）が調整されることにより、ガス３の流量が小さい場合（言い換えると、低流量域）でも、ガス３が十分に圧縮されて流れが高速になって平行部１７と吹出拡大部１８とにおけるガス３とスクラバ液４の液滴との相対速度が十分に大きくなり、ガス３中の粒子と液滴との衝突の効率が確保される。
なお、本発明に係るノズルは、液吸引部（言い換えると、縮小部の出口付近）における流体の流速が超音速であることを条件とするという点において、「ラバルノズル」や「超音速ノズル」と呼ばれるノズルが用いられ得る。
本発明に係るノズルは液吸引部（縮小部の出口付近）における流体の流速が超音速になるものであれば特定のものに限定されるものではないものの、本発明に係るノズルとしての好適な条件は以下のように整理される。
１）排気部１５における圧力（即ち、数式１における排気絶対圧力ｐe）と縮小部１４における圧力（即ち、数式１における流入絶対圧力ｐ）との比（ｐe／ｐ）が０．１〜０．５である。
２）処理流体（具体的には例えば、原子炉格納容器から排出されるベントガス）の流量が増大するにつれて上記比（ｐe／ｐ）が小さくなる。
３）ノズル１本あたりの処理量が概ね２００〜２０００〔ｋｇ／ｈ〕程度である。
４）処理流量にほぼ比例して縮小部１４の出口１４ａの断面積と吹出拡大部１８の長さとが変化する。
上記４について、例えば、下記ア及びイのような具体例が挙げられる。ただし、処理流体は、ベントガスであるとし、特性として０．７〔ＭＰａＧ〕，飽和温度，水蒸気であると想定する。
ア）処理流体の流量が４００〔ｋｇ／ｈ〕のとき
縮小部の出口の内径：７．５〜１０．０〔ｍｍ〕（好適には９．６ ｍｍ 程度）
吹出拡大部の長さ：１００〜１０００〔ｍｍ〕（好適には２５０ ｍｍ 程度）
イ）処理流体の流量が２０００〔ｋｇ／ｈ〕のとき
縮小部の出口の内径：１６．８〜２２．０〔ｍｍ〕（好適には２１．５ ｍｍ 程度）
吹出拡大部の長さ：１００〜１０００〔ｍｍ〕（好適には５００ ｍｍ 程度）
また、上記３に関連することとして、予め想定される処理流体の流量に応じてノズルの本数は調節される。例えば、ベントでの処理流体の流量を２１６０００ ｋｇ／ｈ（即ち、６０ ｋｇ／ｓ）として処理量が２０００ ｋｇ／ｈ であるノズルを用いた場合には、ノズル本数は１０８本とされる。この場合、多数のノズル１０は、ベント装置９の下部に同心円状に配置される。
上記アの処理流体の流量が４００〔ｋｇ／ｈ〕のときについて、一層具体的には、以下の具体例が挙げられる。
縮小部の出口の内径：７．５〜１０．０〔ｍｍ〕（好適には９．６ ｍｍ 程度）
液吸引部の態様：好適には全周空隙（或いは、穴，スリット）
排気拡大部の長さ：１０〜４０〔ｍｍ〕（好適には３０ ｍｍ 程度）
（上記のうち、液吸引部の長さ（全周空隙の場合には、排気部と平行部との間の間隙の寸法）：１０〜２０〔ｍｍ〕（好適には１５ ｍｍ 程度））
平行部の内径：１６〜２０〔ｍｍ〕（好適には１８ ｍｍ 程度）
平行部の長さ：４０〜６０〔ｍｍ〕（好適には５０ ｍｍ 程度）
吹出拡大部の内径の広がり角：４°〜１０°（好適には７．５°）
吹出拡大部の長さ：１００〜１０００〔ｍｍ〕（好適には２５０ ｍｍ 程度）
以上のように構成されたガス中粒子の捕集方法並びにガス中粒子捕集ノズル，スクラバ，及びベント装置によれば、縮小部１４における圧縮と排気部１５における膨張とによって液吸引部２０においてガスの流れを超音速にして発生させた負圧によってスクラバ液４を吸引しつつガス３とスクラバ液４とを平行部１７及び吹出拡大部１８へと吹き出すようにしているので、平行部１７及び吹出拡大部１８においてガス３（当該ガス３中の粒子を含む）とスクラバ液４の液滴との相対速度でガス３中の粒子と液滴とを衝突させてガス３中の粒子をスクラバ液４に捕集してガス３から除去することができる。特に、縮小部１４における圧縮と排気部１５における膨張とによって液吸引部２０においてガス３の流れを超音速にして発生させた負圧によってスクラバ液４を吸引するようにしているので、ガス３の流量が大きい場合でも、流動抵抗よりも大きな膨張する力による高速流（具体的には、超音速流）によって高い負圧を発生させて液吸引部２０において周囲の圧力との関係で負圧であることを維持し延いては液吸引部２０における吸引力を維持するようにすることができ、液吸引部２０においてスクラバ液４を吸引しつつガス３とスクラバ液４とを平行部１７及び吹出拡大部１８へと吹き出してガス３中の粒子とスクラバ液４の液滴とを衝突させてガス３中の粒子をスクラバ液４に捕集してガス３から除去することが可能になり、延いてはガス３中粒子の捕集技術としての信頼性の向上を図ることが可能になる。
なお、上述の実施形態は本発明を実施する際の好適な形態の一例ではあるものの本発明の実施の形態が上述のものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において本発明は種々変形実施可能である。
例えば、上述の実施形態ではノズル１０が第一の部材１１と第二の部材１２との二部材から構成されるようにしているが、ノズル１０が分割されて複数の部材によって構成されることは本発明において必須の構成ではなく、導入部１３・縮小部１４から吹出拡大部１８までが一部材で形成されるようにしても良い。この場合には、排気部１５と平行部１７とが連続して形成され、これら排気部１５と平行部１７とが連なる部位に例えば複数の穴やスリットなどとして液吸引部が形成される。
また、上述の実施形態ではベント装置９がフィルタ５を備えるものとして構成されるようにしているが、ベント装置９がフィルタ５を備えることは本発明において必須の構成ではなく、ベント装置９がフィルタ５を備えないものとして構成されるようにしても良い。この場合でも、ガス３に含まれている放射性物質粒子がスクラビング効果によってスクラバ液４に捕集される効果は期待される。
また、上述の実施形態ではノズル１０やスクラバが原子炉格納容器外のベント装置９内に設けられるようにしているが、ノズル１０やスクラバの設置態様は上述の実施形態におけるものには限定されない。具体的には例えば、ノズル１０が原子炉格納容器内のサプレッションプール内に設置されたり、これによってサプレッションプールがスクラバとして機能するようにしたりしても良い。
さらに言えば、上述の実施形態ではノズル１０やスクラバがベント装置９内に設けられて原子炉格納容器から放出されるベントガスに含まれる放射性物質粒子の捕集に適用される場合を例に挙げて説明したが、本発明に係るガス中粒子捕集ノズルやスクラバの使用態様はベント装置内に設けられたりベントガスに含まれる放射性物質粒子の捕集に用いられたりすることに限定されるものではない。そして、本発明のガス中粒子の捕集方法の用途はベントガスに含まれる放射性物質粒子の捕集に限定されるものではない。
１ スクラバタンク
２ ガス流動管路
３ ガス
４ スクラバ液
５ フィルタ
６ 放出経路
９ ベント装置
１０ ガス中粒子捕集ノズル
１１ 第一の部材
１２ 第二の部材
１３ 導入部
１４ 縮小部
１５ 排気部
１６ 排気拡大部
１７ 平行部
１８ 吹出拡大部
２０ 液吸引部
２１ 固定部材

Claims (8)

  1. ノズルを通じてガスが液体中に吹き出されることによって前記ガスに含まれる粒子が前記液体に捕集される方法であり、前記ノズルが、前記ガスの流れの上流側から順に縮小部，液吸引部を含む排気拡大部，平行部，及び吹出拡大部を流路として有すると共に前記液体中に没入させられて配設され、流入したガスを前記縮小部において圧縮して前記ガスの流れを加速してから前記排気拡大部へと前記ガスを排気して膨張させて更に加速させることにより、前記液吸引部における前記ガスの流れを超音速にして前記液吸引部において負圧を発生させて前記液吸引部から前記液体を吸引しつつ前記ガスと前記液体とを前記平行部及び前記吹出拡大部へと吹き出すことを特徴とするガス中粒子の捕集方法。
  2. 前記ノズルが前記縮小部を有する第一の部材と前記平行部及び前記吹出拡大部が形成された第二の部材とから構成され、前記第一の部材と前記第二部材とが離間して配設されてこれら第一の部材と第二の部材との間の間隙が前記液吸引部として機能することを特徴とする請求項１記載のガス中粒子の捕集方法。
  3. 前記ノズルの前記排気拡大部における圧力と前記縮小部における圧力との比が０．１〜０．５であることを特徴とする請求項１記載のガス中粒子の捕集方法。
  4. ガスの流れの上流側から順に縮小部，液吸引部を含む排気拡大部，平行部，及び吹出拡大部を流路として有すると共に液体中に没入させられて配設され、流入したガスを前記縮小部において圧縮して前記ガスの流れを加速してから前記排気拡大部へと前記ガスを排気して膨張させて更に加速させることにより、前記液吸引部における前記ガスの流れを超音速にして前記液吸引部において負圧を発生させて前記液吸引部から前記液体を吸引しつつ前記ガスと前記液体とを前記平行部及び前記吹出拡大部へと吹き出すことを特徴とするガス中粒子捕集ノズル。
  5. 前記縮小部を有する第一の部材と前記平行部及び前記吹出拡大部が形成された第二の部材とから構成され、前記第一の部材と前記第二部材とが離間して配設されてこれら第一の部材と第二の部材との間の間隙が前記液吸引部として機能することを特徴とする請求項４記載のガス中粒子捕集ノズル。
  6. 前記排気拡大部における圧力と前記縮小部における圧力との比が０．１〜０．５であることを特徴とする請求項４記載のガス中粒子捕集ノズル。
  7. 液体を貯留するスクラバタンクと、前記液体中に没入させられて配設されると共に前記液体中にガスを吹き出すノズルとを有し、当該ノズルは、前記ガスの流れの上流側から順に縮小部，液吸引部を含む排気拡大部，平行部，及び吹出拡大部を流路として有し、流入したガスを前記縮小部において圧縮して前記ガスの流れを加速してから前記排気拡大部へと前記ガスを排気して膨張させて更に加速させることにより、前記液吸引部における前記ガスの流れを超音速にして前記液吸引部において負圧を発生させて前記液吸引部から前記液体を吸引しつつ前記ガスと前記液体とを前記平行部及び前記吹出拡大部へと吹き出すことを特徴とするスクラバ。
  8. 液体を貯留するスクラバタンクと、前記液体中に没入させられて配設されると共に前記液体中にガスを吹き出すノズルと、前記液体の上方に配設されるフィルタとを有し、前記ノズルは、前記ガスの流れの上流側から順に縮小部，液吸引部を含む排気拡大部，平行部，及び吹出拡大部を流路として有し、流入したガスを前記縮小部において圧縮して前記ガスの流れを加速してから前記排気拡大部へと前記ガスを排気して膨張させて更に加速させることにより、前記液吸引部における前記ガスの流れを超音速にして前記液吸引部において負圧を発生させて前記液吸引部から前記液体を吸引しつつ前記ガスと前記液体とを前記平行部及び前記吹出拡大部へと吹き出し、さらに、前記ノズルから吹き出されて前記液体を通過した前記ガスを前記フィルタを通過させた上で前記スクラバタンクから放出することを特徴とするベント装置。
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