JPS5831377B2 - 液体金属の純化方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体金属中に含まれている各種不純物を偏析現
象を利用して除去するようにした液体金属の純化方法に
関するものである。

なお、本明細書において純化対象である「液体金属」と
は、固相中の不純物濃度とそれと平衡にある液相中の不
純物濃度の比、すなわち分布係数Ｋが１より小さい関係
にある不純・物を含む液体金属をいう。

以下、液体ナトリウムを例にとって説明するが、本発明
の他の液体金属（例えば液体カリウム等）に対しても適
用しうるものである。

液体ナトリウム冷却型高速炉の如き液体ナトリウムを伝
熱媒体とする各種プラントや装置においては、液体ナト
リウム中に不純物が含まれていると物質移行や腐食等の
現象が生じ、プラントの設計や運転の際に大きな問題と
なっている。

かかる現象の進行度合は液体ナトリウム中に含まれてい
る不純物濃度、特に酸素濃度に比例して大きくなるため
、これらプラントや装置においては、不純物濃度を極力
下げることが望まれている。

さて、従来の液体ナトリウムの純化方法としては、コー
ルドトラップあるいはホットトラップを用い、液体ナト
リウム中の不純物の温度による溶解度の差を利用して、
液体ナトリウム温度を制御することによって不純物を析
出させこれをステンレスメツシュ等により機械的に除去
するものがあった。

しかしながらこの方法はステンレスメツシュ等に一時的
に不純物を捕獲しているにすぎないから、例えばコール
ドトラップ方式の場合、液体ナトリウム温度が上るとメ
ツシュに捕獲されていた不純物は再び液体す） ＩＪウ
ム中に溶解し、元の不純物の多い状態にもどってしまう
。

これを防ぐには、不純物をトラップしたままコールドト
ラップを取外し、新しいコールドトラップと取り換える
かコールドトラップを弁操作等により系統から切離して
コールドトラップ内の高不純物濃度の液体ナトリウムを
廃棄タンク等に捨てるしかない。

これらの方法はいずれもプラントの停止が必要であり、
かつプラントが保有している液体ナトリウム量が減少す
ることになり、好ましい方法とは言えない。

本発明の目的は、上記のような従来技術の欠点を解消し
被純化系の運転を停止することな（、かつ被純化系が保
有する液体金属量をほとんど減少させることなく、しか
も被純化系から完全に隔離した状態で液体金属中の不純
物を大量に除去しうるような液体金属の純化方法を提供
することにある。

即ち本発明は、被精製物である分布係数Ｋが１より小さ
い液体金属が滞留または流動している容器または配管か
らなる被純化系と、被精製物中に含まれている不純物を
濃縮状態で貯留する廃棄物受容器との間に帯溶融精製筒
を介在させてそれらの間を第１の接続部および第２の接
続部で連結し、第１の接続部、帯溶融精製筒、および第
２の接続部に冷却装置および加熱装置を設けて内部の被
精製物を凝固もしくは溶融可能にすると共に、該加熱装
置により帯溶融精製筒の内部の凝固被精製物を帯域溶融
可能とし、まず帯溶融精製筒内全域が溶融被精製物で満
たされているときは、常に第２の接続部を冷却してその
内部を凝固被精製物が占め、それにより帯溶融精製筒内
の液体被精製物と廃棄物受容器内の濃縮状態の不純物と
を隔離しておき、前記第１の接続部および帯溶融精製筒
内の被精製物を凝固させた後、その凝固被精製物を前記
第１の接続部近傍から第２の接続部まで加熱装置により
帯域溶融させて生成した溶融帯域を移動させることによ
り被精製物内の不純物を廃棄物受容器内へ移送し、その
後、第２の接続部を冷却してその内部を凝固させてから
帯溶融精製筒内の精製された被精製物および第１の接続
部の被精製物を溶融して被純化系に返送するようにした
分布係数が１より小さい液体金属の純化方法である。

以下図面に基づき本発明の一実施例について詳述する。

第１図は本発明において使用するに好適な装置の一例の
概略図である。

この純化装置は鉛直竪型構造をなし、上方から沈澱槽１
、帯溶融精製筒２、および廃棄物受容器３が順に配列さ
れ、沈澱槽１と帯溶融精製筒２との間は第１の接続部４
で、また帯溶融精製筒２と廃棄物受容器３との間は第２
の接続部６でそれぞれ連結されている。

沈澱槽１は下方にいくほどその内径が小さくなる如く漏
斗状をなし、上部水平方向に液体ナトリウムの流入配管
６が接続され、頂部鉛直方向に流出配管７が挿入されて
被純化系を構成している。

つまり、被精製物である液体ナトリウムは流入配管６か
ら沈澱槽１内に入り、流出配管７を通って流出する。

帯溶融精製筒２は下方にいくほど内径が小さくなるよう
なテーパ状をなしており、沈澱槽１と帯溶融精製筒２と
の間の括れ部が第１の接続部４に相当する。

第１の接続部４、帯溶融精製筒２、および第２の接続部
５の外壁には冷却装置および加熱装置が設けられている
。

冷却装置は第１の接続部４を、冷却するクーラー８ａ、
帯溶融精製筒２を冷却するクーラー８ｂ、第２の接続部
５を冷却するクーラー８ｃからなり、加熱装置は第１の
接続部４を加熱するヒーター９ａおよび帯溶融精製筒２
の上方から第２の接続部５にかげて帯域溶融可能でかつ
帯溶融精製筒２内の全域溶融可能ｌ：ｒゾーン溶解用ヒ
ーター９ｂからなる。

さて、このような装置を用いて液体ナトリウムの純化を
次のようにして行う。

ここで注意すべきは、帯溶融精製筒２内全域が溶融状態
にあるときには、常にクーラー８ｃにより第２の接続部
５を冷却してその内部を凝固させ、それにより帯溶融精
製筒２の内部と廃棄物受容器３の内部とを隔離しておく
ように運転することである。

第２図は本発明の工程説明図であって、斜線部が凝固（
凍結）部分であることを示す。

廃棄物受容器３は常時溶解状態にあるが、不純物濃度が
飽和に達した後には底部に固相が存在する。

まず、ステップ１では、沈澱槽１は勿論、第１の接続部
４および帯溶融精製筒２も被精製物であるナトリウムが
溶融状態で満たされている。

このときは前記のように第２の接続部５の内部は凝固状
態にあり、その上下間は隔離されている。

従って、ステップ１では、沈澱槽１、第１の接続部４、
帯溶融精製筒２内部の液体ナトリウムの不純物濃度は同
じである。

次に、ステップ２において、クーラー８ａを作動させて
第１の接続部４のナトリウムを凝固させ、帯溶融精製筒
２内の液体ナトリウムを閉じ込める。

ステップ３でクーラー８ｂを作動させ、帯溶融精製筒２
内に閉じ込めたナトリウムを凝固させる。

そしてステップ４において、帯溶融精製筒２の上方（帯
溶融精製筒２内の凝固状態が保持可能なかぎり第１の接
続部４にできるだけ近い方がよい）をできるだけ狭い範
囲でかつ高温状態にゾーン溶解する。

ゾーン溶解用ヒーター９ｂを操作してこの溶解ゾーンを
下方へ連続的に移動させる（ステップ５）。

溶融ゾーンが通過した後は、帯溶融精製筒２内のナトリ
ウムは当然のことながら再び凝固する。

この過程で凝固した帯溶融精製筒２のナトリウム中の不
純物は溶融ゾーンの移動に伴って固相中から除去され、
下方へ運搬されて、ついには廃棄物受容器３へ排出され
る。

一般に、不純物を含有している液体を一方の端から他方
の端に向って固化させると不純物は最後に固化した端が
最も多くなるような濃度勾配をもつ。

この現象が偏析現象である。このことは、溶融部分に含
まれている不純物の方が凝固部分に含まれている不純物
よりも多いことを示している。

本発明はこの偏析現象を利用した純化方法なのである。

ステップ６においては、第１の接続部４、帯溶融精製筒
２、第２の接続部５内のナトリウムは全て凝固され、沈
澱槽１と廃棄物受容器３との間は隔離状態が保たれる。

第２の接続部５を除いて第１の接続部４および帯溶融精
製筒２内のナトリウムを溶解し、ステップ１に戻り、全
工程が完結する。

ステップ６からステップ１に戻すことにより、純化され
た帯溶融精製筒２中の液体ナトリウムを、沈澱槽１中の
（又は、流入配管６から流入する）不純物を多く含有す
る新たな不純物含有液体ナトリウムと、自然対流と不純
物拡散によって入れ替えることができるので、結局、沈
澱槽１中の（又は、流入配管６から流入する）不純物含
有液体ナトリウムを全て精製できる。

このようにして、ステップ１からステップ６の操作を繰
返すことによって沈澱槽１内、すなわち被純化系内の液
体ナトリウムから不純物を取り除き、廃棄物受容器３内
に隔離貯蔵する。

また、本発明による純化の効率を上げるため、前記した
ようなステップ１からステップ６を順次繰返す単純サイ
クルではなく、ステップ６からステップ１に戻る間に破
線矢印にて示すように、ステップ４からステップ６を数
回繰返す複合サイクルすることにより、帯溶融精製筒２
および第２の接続部５内の不純物濃度を極端に低下させ
ることができる。

実際に運転する場合には、純化の効率と作業性から最適
運転サイクルを決定すればよい。

液体ナトリウムが滞留もしくは流動する被純化系に必ず
しも沈澱槽１を設ける必要はないが、第１図の如き構造
の沈澱槽１を設けておけば、液体す） ＩＪウム中に溶
存する不純物のみでなく、切粉等の固形不純物も帯溶融
精製筒２を通って廃棄物受容器３に移送でき、被純化系
から除去できるから有利である。

また、前記の装置のように、第１の接続部４が細絞りの
構造だから、その部分の急速冷却に都合がよく、該第１
の接続部４内を凝固させるときに、沈澱槽１側へ偏析し
て戻る不純物の量を小さくすることができる。

また、帯溶融精製筒２を下にいくほど狭いテーパ状とし
たから、偏析させるためのゾーン溶解が仕事効率を高め
ることができ、また第２の接続部５も細絞り構造だから
冷却に便利である。

加熱装置としては、被精製物がナトリウムの如き導電体
の場合には、高周波誘導加熱によるのがよい。

また、廃棄物受容器３が設けられているから不純物の捕
獲容量を大きくできる。

被精製物から除去する不純物量はそれ程多くないから、
貯留容積をある程度大としておけば、廃棄物受容器３の
交換は不要となる。

本発明は前記のように構成した液体金属の純化方法であ
るから、プラントの運転を停止することなく、被純化系
から不純物をほぼ完全に除去できると共に、被純化系に
保有されている液体金属量をほとんど減少させることも
なく、不純物の捕獲容量が大きく、運転も容易であって
、捕獲されていた不純物が再び被純化系内に再溶解して
しまうといった事態が生じる虞れもないなどすぐれた効
果を奏しうるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で使用するに好適な純化装置の構造概略
図、第２図は本発明の詳細な説明図である。 １・・・・・・沈澱槽、２・・・・・・帯溶融精製筒、
３・・・・・・廃棄物受容器、４・・・・・・第１の接
続部、５・・・・・・第２の接続部、６・・・・・・流
入配管、７・・・・・・流出配管、８ａ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被精製物である分布係数Ｋが１より小さい液体金属
   が滞流または流動している容器または配管からなる被純
   化系と、被精製物中に含まれている不純物を濃縮状態で
   貯留する廃棄物受容器との間に帯溶融精製筒を介在させ
   てそれらの間を第１の接続部および第２の接続部で連結
   し、第１の接続部、帯溶融精製筒、および第２の接続部
   に冷却装置および加熱装置を設けて内部の被精製物を凝
   固もしくは溶融可能にすると共に、該加熱装置により帯
   溶融精製筒の内部の凝固被精製物を帯域溶融可能とし、
   まず帯溶融精製筒内全域が溶融被精製物で満たされてい
   るときは、常に第２の接続部を冷却してその内部を凝固
   被精製物が占め、それにより帯溶融精製筒内の液体被精
   製物と廃棄物受容器内の濃縮状態の不純物とを隔離して
   おき、前記第１の接続部および帯溶融精製筒内の被精製
   物を凝固させた後、その凝固被精製物を前記第１の接続
   部近傍から第２の接続部まで加熱装置により帯域溶融さ
   せて生成した溶融帯域を移動させることにより被梢製物
   内の不純物を廃棄物受容器内へ移送し、その後、第２の
   接続部を冷却してその内部を凝固させてから、帯溶融精
   製筒内の精製された被精製物および第１の接続部の被精
   製物を溶融して被純化系に返送するようにした分布係数
   Ｋが１より小さい液体金属の純化方法。 ２ 第１の接続部内の被精製物を凝固させることにより
   帯溶融精製筒内に被精製物を封じ込めた後、封じ込めた
   被精製物を凝固させるようにした特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ３ 第１および第２の接続部の流路が帯溶融精製筒に比
   し小さい断面積を有するようになっている特許請求の範
   囲第１項または第２項記載の方法。 ４ 帯溶融精製筒は、その流路断面が被純化系から廃棄
   物受容器へ向けて徐々に小さくなっていくテーパ状をな
   している特許請求の範囲第１項、第２項、または第３項
   記載の方法。 ５ 溶融帯域を第１の接続部近傍から第２の接続部まで
   移動させることによる被精製物中の不純物の廃棄物受容
   器内への移送を複数回連続して行うようにした特許請求
   の範囲第１項、第２項、第３項、または第４項記載の方
   法。 ６ 第１の接続部に連結されている被純化系は沈澱槽で
   あって、該沈澱槽、第１の接続部、帯溶融精製筒、第２
   の接続部、および廃棄物受容器は鉛直方向に連らなった
   竪型構造であって、被精製物は罰記沈澱槽内にほぼ水平
   に流入した後、該沈澱槽から鉛直上方に流出するように
   なっている特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第
   ４項、または第５項記載の方法。 ７ 被精製物が沈澱槽内深く挿入された流出用配管を通
   って流出するようになっている特許請求の範囲第６項記
   載の方法。