JP5115934B2

JP5115934B2 - 液体密度測定子

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Publication number: JP5115934B2
Application number: JP2009154233A
Authority: JP
Inventors: 崇之永井
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2029-06-29
Also published as: JP2011007756A

Description

本発明は、アルキメデス法による液体の密度測定に用いる測定子に関し、更に詳しく述べると、上下が流線型をなし細長形状の測定子容器内に重錘を封入した構造の液体密度測定子に関するものである。この液体密度測定子は、特に限定されるものではないが、例えば化学的に活性な高温の溶融塩の密度を高精度に測定するのに有用である。

周知のように、液体密度測定方法の代表的な例としては、アルキメデス法がある。これは、体積が既知の測定子（「ボブ」とも呼ばれる）を、天秤からワイヤ等で吊り下げて密度測定対象の液体中に浸漬し、その際に生じる浮力による重量減を天秤で読み取り、測定子の体積で除することで液体の密度を求める方法である。

上記のようなアルキメデス法による高温液体の密度測定事例としては、測定子として白金−１０％ロジウム合金（Ｐｔ−１０％Ｒｈ）製球体を用いたＦｅＯ−ＳｉＯ₂密度測定［非特許文献１］、測定子として白金（Ｐｔ）製球体を用いたＮａ₂Ｏ−ＦｅＯ−Ｆｅ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂密度測定［非特許文献２］等がある。その他、溶融塩の密度測定事例としては、白金（Ｐｔ）製測定子を用いた溶融ＬｉＣｌ−ＫＣｌ混合塩等の密度測定［非特許文献３］が報告されているが、詳細な測定方法は明らかでない。

このように、高温溶融塩の密度測定を行うには、測定子材料として、高密度で且つ高耐食性の材料である白金（Ｐｔ）や白金−１０％ロジウム合金（Ｐｔ−１０％Ｒｈ）等を用いる必要があるが、それらは非常に高価であり、製作し難いなど、コストの面で著しく不利である。

そこで、安価な高密度金属であるタングステン（Ｗ）等を測定子材料に用いて、溶融塩の密度測定を試みた。しかし、タングステン製測定子と溶融塩が反応し、測定子表面に腐食による減肉や反応物の析出等が認められ、測定子の重量減が正確に読み取れず、測定密度の精度が低下することが判明した。

密度測定対象の液体中での測定子の腐食を回避する技術として、従来、測定子本体表面に窒化硼素、炭化ケイ素、カーボン、白金、シリカ−アルミナ等をコーティングする構造が提案されている［特許文献１］。しかし、このようなコーティング構造では、測定子本体材料とコーティング材料の熱膨張係数が異なるため、例えば高温溶融塩中に測定子を浸漬すると、コーティング膜に亀裂や歪みが生じ、測定子本体の腐食等による測定子表面の凹凸によって、正確な密度測定が行えない欠点がある。

足立彰，荻野和巳，川崎正蔵，若宮達也，"（７０）アルキメデス法による溶融ＦｅＯ−ＳｉＯ２スラグの密度の測定，"日本鉄鋼協会第６７回講演大会講演論文集（Ｉ），鉄と鋼，第３号，４７３（１９６４） D. B. Dingwell, M. Brearley, J. E. Dickinson, Jr, "Melt densities in the Na2O-FeO-Fe2O3-SiO2 system and the partial molar volume of tetrahedrally-coordinated ferric iron in silicate melts," Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol.52, 2467 (1988) E. R. Van Artsdalen, I. S. Yaffe, "Electrical Conductance and Density of Molten Salt Systems: KCl-LiCl, KCl-NaCl and KCl-KI," J. Physical Chemistry, Vol.59, 118 (1955)

特開平６−１４８０５２号公報

本発明が解決しようとする課題は、安価な材料を使用し且つ製作し易い構造でありながら、密度測定対象の液体が高温溶融塩など腐食性があっても、精度よくアルキメデス法による密度測定が行えるようにすることである。本発明が解決しようとする他の課題は、密度測定対象の液体について、加熱による温度制御を行い対流が生じていても、その対流が測定に与える悪影響を最小限に抑えることができるようにすることである。

本発明は、密度測定対象の液体中に浸漬し、浮力による重量減を測定して体積で除することにより当該液体の密度を求める液体密度測定子において、密度測定対象の液体に対して耐食性のある材料からなる測定子容器内に、重錘が封入され、該測定子容器の内部で重錘との隙間に緩衝材を充填することで該重錘が保持されていることを特徴とする液体密度測定子である。

前記測定子容器は細長状であって、上端に吊り下げ用の係止部を備え、中央の円筒状の胴部に対して上端部と下端部が流線型になっているのが好ましい。なお、吊り下げ用の係止部は、孔でもよいしフックなどでもよい。

密度測定対象の液体が高温溶融塩のように化学的に活性の液体の場合には、測定子容器は石英ガラスで作製するのが好ましい。重錘は、タングステンまたはタングステン合金からなる円柱形状あるいはラグビーボール形状等とするのが好ましい。密度測定対象の液体の温度によっては、測定子容器を耐熱性ガラスなどで作製してもよい。なお、重錘は高密度材料であればよく、必ずしも塊状でなくてもよい。

なお、測定子容器は、その内部が減圧された状態で封止されているのが望ましい。

本発明に係る液体密度測定子は、重錘が、耐食性材料からなる測定子容器内に封入されている構造なので、密度測定対象が高温溶融塩のように化学的に活性な液体であっても、腐食による減肉や反応物の析出などが生じず、測定精度の低下を防止できる。特に、測定子容器を石英ガラスで作製し、重錘にタングステンまたはタングステン合金を用いると、安価に製作できる。測定子容器の内部の重錘は緩衝材で保持されているため、たとえ機械的な衝撃が加わっても破損する恐れはない。

また、測定子容器を細長状とし、中央の円筒状の胴部に対して上端部と下端部を流線型にすると、測定時の温度制御により密度測定対象の液体に対流が生じても、その対流による浮力への悪影響を回避でき、測定精度の向上を図ることができる。

本発明に係る液体密度測定子の典型例を示す説明図。その液体密度測定子の使用状態を示す説明図。ＬｉＣｌ−ＫＣｌ共晶塩の密度測定結果を示すグラフ。ＮａＣｌ−ＫＣｌ等モル塩の密度測定結果を示すグラフ。

本発明に係る液体密度測定子の典型的な例を図１に示す。この液体密度測定子は、測定子容器１０内に重錘１２を封入し、該測定子容器の内部で重錘との隙間に緩衝材１４を充填することで該重錘１２が保持されている構造である。測定子容器１０は、密度測定対象の液体に対して耐食性のある材料からなり、細長状であって、上端に吊り下げ用の孔１６が形成され、中央の円筒状の胴部に対して上端部と下端部が流線型に加工されている。

ここで想定している密度測定対象液体は高温の溶融塩である。測定子容器１０は、高温の溶融塩に対する耐食性材料である石英ガラスで作製し、重錘１２は、円柱またはラグビーボール形状の高密度材料からなる塊でありタングステンまたはタングステン合金からなる。測定子容器１０と重錘１２との隙間に充填する緩衝材１４としては、例えば石英ウール等を用いる。測定子容器１０は、真空ポンプで内部のガス（空気）を吸引し、減圧した状態で封止される。

この液体密度測定子は、外側が石英ガラスで覆われている高温の溶融塩中に浸漬しても腐食する恐れはなく、内部のタングステンまたはタングステン合金からなる重錘によって溶融塩中に浸漬する。測定子容器と重錘との隙間には石英ウール等の緩衝材が充填されているため、重錘が測定子容器に機械的衝撃を与えても破損する恐れはない。測定子容器の内部を減圧した状態で封止しておくと、高温の溶融塩中への浸漬時に危惧される内圧上昇による測定子容器破損が防止できる。

なお、密度測定対象の液体によっては（例えば測定温度が６００℃以下の場合）、測定子容器の材料に、軟化温度が約６５０℃の耐熱ガラスを用いることができる。重錘はタングステンあるいはタングステン合金でなくても高密度材料であればよい。孔は、この測定子を天秤から垂下したワイヤ等に接続するのに使用するものであり、孔形状以外にフック形状などでも対応できる。

このような構造の液体密度測定子は、例えば次のような手順で製作できる。まず、石英ガラス管の一端を加熱溶融し、底面を肉厚な状態で流線型となるように整え封じる。片閉じ管形状に加工した石英ガラス管の中に緩衝材（石英ウール等）を敷き、重錘（タングステン棒等）を入れる。次に、下部緩衝材と重錘を入れた石英ガラス管の上部をガスバーナーで局所的に加熱して、石英ガラス管の上端の肉厚を厚く、径を小さくするように火箸等で押さえながら絞込む。そして、径が閉塞する前に加熱を中断して、上部緩衝材（石英ウール等）を石英ガラス管の上端開放部から押し込む。なお、重錘が小さい場合、上部緩衝材の挿入を省略してもよい。省略しても、強度に支障がないことが確認されている。上部緩衝材を重錘の上部にセットした後、石英ガラス管の上端開放部に真空ポンプ等の減圧ポンプを接続し、石英ガラス管の内部を減圧させながら、石英ガラス管の上部の径を絞り込んだ部分付近を局所的にガスバーナーで加熱して、石英が軟化した状態で火箸等により押さえ付けて流線型となるように整え密封する。その後、石英ガラス管の上部端を加熱軟化させて引き伸ばし、吊り下げ用の孔となる輪を形成する。所定の形状に成型した後、測定子全体を再加熱して徐々に冷却することで、残留熱歪の少ない液体密度測定子を製作することができる。

アルキメデス法による高温溶融塩の密度測定の例を図２に示す。液体密度測定子２０をワイヤ２２等で天秤２４から吊り下げ、測定対象の溶融塩２６中に浸漬する。天秤２４で液体密度測定子２０の重量減ΔＷを読み取り、熱電対２８で測定した溶融塩の温度Ｔにおける液体密度測定子２０の体積Ｖで重量減ΔＷを除して、溶融塩の密度ρ（＝ΔＷ／Ｖ）を求める。ここで、溶融塩２６は液体容器３０に入れられており、外側に位置する電気炉等の加熱炉３２により加熱され、容器蓋３４により液体容器３０内の溶融塩温度変化を抑制する。天秤２４は、容器蓋３４の上部に直接又は架台等介して設置され、容器蓋３４には、液体密度測定子２０を吊り下げるワイヤ２２等が通過する孔３６が形成されている。溶融塩の温度Ｔにおける液体密度測定子の体積は、液体密度測定子の材料の熱膨張係数を基に予め算出しておく。

ところで密度測定対象である溶融塩の温度は、プロセス条件３００〜１３００℃の範囲で電気炉等加熱炉により制御管理する必要がある。このため、溶融塩中には電気炉等による加熱と溶融塩の気液界面での放熱による冷却に起因して溶融塩中に対流が生じる。この液体密度測定子は、その形状が縦方向に流線型となっているので、対流が浮力に与える悪影響を回避することができる。

上記図２に示す測定法は、単一の液体密度測定子による測定の例である。溶融塩を用いる電解プロセスにおいて、連続的に溶融塩の密度を測定する場合、装置構成や測定手順を簡素化するため、このような１個の液体密度測定子を用いる方法が適当である。しかし、溶融塩の粘性が高く、気液界面の表面張力が大きい場合は、次に述べるような２個の液体密度測定子を連設して測定する既知の方法を適用するのが好ましい。

下方の液体密度測定子のみを溶融塩に浸漬した時の天秤の重量減ΔＷ１と、上下両方の液体密度測定子を浸漬した時の重量減（ΔＷ１＋ΔＷ２）を読み取り、上方の液体密度測定子による重量減ΔＷ２（＝（ΔＷ１＋ΔＷ２）−ΔＷ１）を算出する。次に、上方の液体密度測定子による重量減ΔＷ２を上方の液体密度測定子の体積Ｖ２で除することによって、溶融塩の密度ρ（＝ΔＷ２／Ｖ２）を得る。これによって、天秤から吊り下げたワイヤ等が及ぼす溶融塩の気液界面の表面張力による影響を排除することができる。

密度測定対象となる液体としては、例えば多価の原子価を示すランタニド塩化物やアクチニド塩化物等を含むアルカリ塩化物及びアルカリ土類塩化物並びにこれらの混合塩からなる溶融塩、多価の原子価を示すランタニドハロゲン化物、アクチニドハロゲン化物等を含むアルカリ塩化物、アルカリ土類塩化物及びこれらの混合塩化物並びにこれら塩化物にアルカリハロゲン化物及びアルカリ土類ハロゲン化物を添加した塩化物からなる溶融塩、多価の原子価を示すランタニド酸化物、アクチニド酸化物等を含む溶融アルカリモリブデン酸化物及び溶融アルカリタングステン酸化物塩化物並びにこれら混合酸化物からなる溶融塩などがある。

図１に示す構造の液体密度測定子を用いて高温溶融塩の密度を測定した。ここで使用した液体密度測定子は、石英ガラスからなる測定子容器内に、タングステン製の重錘を挿入し、周囲に石英ウールの緩衝材を入れて減圧封入した構造である。測定子容器が耐食性材料からなるため、高温溶融塩と反応することが回避できた。また、測定子容器の上下端部の形状が流線型に加工されているため、溶融塩中で生じる対流の影響を緩和できた。これらの効果により、高温の溶融塩の密度を長時間連続的に安定して測定することが可能となった。

溶融塩化リチウム−塩化カリウム（ＬｉＣｌ−ＫＣｌ）共晶塩の密度を、温度をパラメータに測定した測定例を図３に示す。また、７５０℃の溶融塩化ナトリウム−塩化カリウム（ＮａＣｌ−ＫＣｌ）等モル塩に塩化ネオジム（ＮｄＣｌ３）を添加し、ＮｄＣｌ３濃度をパラメータに測定した溶融ＮａＣｌ−ＫＣｌ等モル塩の密度測定例を図４に示す。このようにして高温の溶融塩について密度測定した結果、白金製球体の液体密度測定子で測定した高精度な値と同等な値が得られることが確認できた。

本発明に係る液体密度測定子を用いて、アルキメデス法による液体の密度測定手法を適用し、化学的に活性な高温の溶融塩の密度を、簡便な装置構成で高精度に測定することが可能となる。本発明に係る液体密度測定子は、例えば、溶融塩を溶媒に用いる電解プロセスにおいて、溶融塩の密度を測定し、溶融塩中の溶存物質濃度を換算し、電解制御の条件設定を行うこと、あるいは溶融塩を溶媒に用いる乾式再処理プロセスにおいて、溶融塩の密度を測定することで、溶融塩中の核物質量の計量管理を行うこと、などに適用できる。

１０測定子容器
１２重錘
１４充填材

Claims

密度測定対象の液体中に浸漬し、浮力による重量減を測定して体積で除することにより当該液体の密度を求める液体密度測定子において、
密度測定対象の液体に対して耐食性のある材料からなる測定子容器内に、重錘が封入され、該測定子容器の内部で重錘との隙間に緩衝材を充填することで該重錘が保持されていることを特徴とする液体密度測定子。
前記測定子容器は細長状であって、上端に吊り下げ用の係止部を備え、中央の円筒状の胴部に対して上端部と下端部が流線型になっている請求項１記載の液体密度測定子。
密度測定対象の液体が高温溶融塩であって、測定子容器は石英ガラスからなり、重錘はタングステンまたはタングステン合金からなる請求項２記載の液体密度測定子。
測定子容器の内部が減圧された状態で封止されている請求項１乃至３のいずれかに記載の液体密度測定子。