Способ разделения изотопов водорода и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к способам и устройствам для разделения изотопов водорода с использованием химического изотопного обмена. Цель изобретения - повышение степени разделения изотопов водорода. Способ включает направление изотопов водорода в потоке инертного газа-носителя противотоком к потоку водяного пара с инертным газом-носителем. Потоки разделены металлической мембраной из палладия или сплава палладия с серебром. Парциальное давление водорода по обе стороны мембраны поддерживают одинаковым и не превышающим 10<SP POS="POST">4</SP> Па, а процесс проводят при температуре 120-300°С. За счет изотопного обмена между изотопами водорода и водяным паром и равенства парциальных давлений водорода через мембрану происходит селективная диффузия молекул, содержащих дейтерий и тритий. Устройство включает реакторы 1 изотопного обмена с металлической мембраной 12 из палладия или сплава палладия с серебром, камеры 2 для восстановления изотопов водорода из воды, трубопроводы 8,9 для подачи инертного газа-носителя, трубопроводы 3 для подачи изотопов водорода из камер 2 в реакторы 1, испарители воды 7, трубопроводы 4 для подачи воды в реакторы, конденсатор водяного пара 26, окислительные камеры 14 с металлической мембраной 16 из палладия или сплава палладия с серебром и слоем окиси металла 18. 2 с.п. 7 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 В 01 D 59/28

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К IlATEHTY

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР! (21) 3445697/28-13 (22) 04.06.82 (31) Р 3123860.2 (32) 16.06.8 1 (33) DE (46) 07.09.89. Бюл. 1! 33 (71) Кернфоршунгсанлаге Юлих, ГмбХ (ВЕ) (72) Николаос Иниотакис и Клаус-Бенедикт фон дер Декен (РЕ) (53) 621.039.31 (088.8) (56) Butler J. Hydrogen isotope вераration by catalyzed exchange and

liquid water. — Бер. sci. and Technol. 1980, ч. 15, 11 3, р. 371-396.

„„SU„„1507206 A 3

2 (54) СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ

ВОДОРОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к способам и устройствам для разделения изотопов водорода с использованием химического изотопного обмена. Цель изобретения — повышение степени разделения изотопов водорода. Способ включает направление изотопов водоро" да в потоке инертного газа-носителя противотоком к потоку водяного пара с инертным газом-носителем. Потоки разделены металлической мембраной иэ палладия или сплава палладия с серебС:

Сл

С0 3

ФЯ

Ю

3 150720 ром. Парциальное давление водорода по обе стороны мембраны поддерживают одинаковым и не превышающим 10 Па, а процесс проводят при температуре

120-300 С. 3а счет изотопного обмена между иэотопами водорода и водяным паром и равенства парциальных давлений водорода через мембрану происходит селективная диффузия молекул, 10 содержащих дейтерий и тритий. Устройство включает реакторы 1 изотопного обмена с металлической мембраной 12 из палладия или сплава палладия с

6 4 серебром, камеры 2 для восстановления изотопов водорода из воды, трубопроводы 8 и 9 для подачи инертного газаносителя, трубопроводы 3 для подачи изотопов водорода иэ камер 2 в реакторы 1, испарители воды 7, трубопроводы 4 для подачи воды в реакторы, конденсатор водяного пара 26, окислительные камеры 14 с металлической мембраной 16 из палладия или сплава палладия с серебром и слоем окиси металла 18. 2 с.п. 7 з.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способам и устройствам для разделения изотопов водорода с использованием химического изотопного обмена и может быть использовано при получении дейтерия и трития, а также при очистке

25 от трития продуктов, участвующих в работе ядерных реакторов.

Целью изобретения является повышение степени разделения изотопов водорода.

Благодаря противоточному направлению изотопов водорода и водяного пара в потоке инертного газа-носителя по разные стороны проницаемой для изотопов водорода металлической мембраны и поддержанию одинакового пар- 35 циального давления водорода по обе стороны мембраны за счет реакции изотопного обмена между иэотопами водорода и водяным паром, через мембрану происходит селективная диффу- 40 зия молекул, содержащих изотопы дейтерня и трития, На чертеже приведена технологическая схема, поясняющая работу способа и устройства для разделения иэо- 45 топов водорода на двухступенчатой каскадной установке.

Способ разделения изотопов водорода включает восстановление воды исходного изотопного состава с образо- 50 ванием протонов водорода, контактиро" вание образовавшихся изотопов водорода с водяным паром посредством направления потока изотопов водорода противотоком к потому водяного пара 55 и отведение потока водяного пара,обогащенного протонами водорода. Потоки изотопов водорода и водяного пара пропускают в смеси с инертными газами-носителями вдоль различных сторон проницаемой для протонов водорода металлической мембраны из палладия или сплава палладия с серебром. Нарциальное давление водорода по обе стороны мембраны поддерживают одинаковым и не превышающим 10 Па, а контактирование изотопов водорода с водяным паром проводят при 120-300 С.

В частном случ.зе, .поток водяного пара могут образовывать из воды такого же состава, из которой получают изотопы водорода. При этом степень разделения изотопов может быть увеличена. Потоки изотопов водорода и водяного пара могут пропускать в смеси с. одним и тем же газом-носителем, что позволяет упростить способ.

Часть инертного газа-носителя, отводимого от мембраны, после очистки от изотопов водорода и паров воды могут повторно использовать в качестве газа-носителя, что является экономически выгодным.

Устройство для разделения изотопов водорода содержит последовательно соединенные реакторы 1 и 1а изотопного обмена между изотопами водорода и водяным паром, камеры 2 и 2а для восстановления изотопов водорода из воды, трубопроводы 3 и За для подачи изотопов водорода из восстановительных камер в реак-.оры, трубопроводы 4 и 4а для подачи воды в реакторы 1 и

1а, трубопроводы 5 и 5а для отвода водяного пара из реакторов и ее подачи в камеры 2 и 2а для восстановления изотопов водорода и трубопроводы 6 и ба для отвода изотопов водорода иэ реакторов. Устройство также содержит испарители 7 и 7а, соединенные с

5 15072 трубопроводами 4 и 4а для подачи воды н реакторы, и трубопроводы 8,8а и 9,9а для подачи инертного газаносителя, соединенные с трубопровода- . ми 3,3а и 4,4а для подачи изотопов

5 водорода и воды н реакторы. Реакторы

1 и la выполнены в виде камер, разделенных на две полости 10, 11 и 10а, llа металлическими мембранами 12 и 1и

12а у палладия или сплава палладия с серебром и отделяющими поток изотопов водорода с инертным газом-носите.лем от потока водяного пара с инертным газом-носителем. 15

Устройство для разделения изотопов водорода может содержать дополнительные трубопроводы 13 и 13а с регуляторами расхода, соединяющие трубопроводы 6 и ба для отвода изотопов 20 водорода и трубопроводы 4 и 4а для подачи воды в реакторы. Устройство может содержать окислительные камеры

14 и 14а, сообщающиеся с трубопроводами 6 и ба для отвода изотопов водорода из реакторов 1 и lа, .а также трубопроводы 15 и 15а для соединения окислительных камер с трубопроводами

8 и 8а для подачи инертного газа-но сителя.

Окислительные камеры 14 и 14а, так же как и реакторы 1 и !а, могут быть разделены на две полости метал" лическими мембранами 16 и 16а иэ сплава палладия или палладия с серебром и снабжены трубопроводами 17 и

17а для отвода продуктов реакции в потоке инертного газа-носителя.

В качестве окислителя н камерах

14 и 14а может быть размещен слой

18 и 18а окиси металла.

Устройство содержит накопитель 19 воды, трубопровод 20 для подачи воды н камеру 2, баллон 21 для инертного газа-носителя. Вентили 22 и 23 служат для регулирования расхода изотопов

45 водорода и водяного пара соответственно, а вентиль 24 — для регулирования расхода газа-носителя. Трубопровод 25 служит для подачи смеси в конденсатор 26, а трубопровод 27 — для отвода воды из конденсатора 26.

Устройство, реализующее способ для разделения изотопон водорода, работает следующим образом.

Воду иэ накопителя 19 по трубопро55 воду 20 подают н камеру 2 для восстановления изотопов водорода из воды. Далее изотопы нодорода по трубопро06 6 воду 3 направляют в полость 10 реактора 1 ° Одновременно из баллона 21 по трубопроводу 8 в полость 10 подают инертный газ-носитель. С другой стороны в полость 11 реактора 1 направляют водяной пар в смеси с инертным гаэомносителем. Водяной пар получают в испарителе 7 испарением воды, поступающей из накопителя 19 по трубопроводам 4 и 4а. Таким образом, на мем-: бране 12 реактора 1 формируют два противоточных течения: поток иэотопон водорода с газом-носителем и поток водя !ого пара с газом-носителем. Величину потока изотопов нодорода и водяного пара регулируют вентилями 22 и 23, а также с помощью расхода газаносителя вентилем 24.

В реакторе 1 из полости 10 изотопы водорода через мембрану 12 диффундируют в полость 11, где нступают и реакцию изотопного обмена с парами воды. В результате реакции часть атомов дейтерия и трития иэ молекул

НД и НТ связываются в виде молекул

НДО и НТО соответственно. Величины потоков изотопов водорода, водяного пара и газа-носителя н полостях 10 и

11, а также температуру выбирают таким образом, что парциальное давление водорода н них одинаковое и не превышает 101 Па. Ограничение величины парциального давления необходимо для продления эксплуатационного периода металлических мембран. Равенство парциальных давлений водорода по обе стороны мембраны 12 необходимо для того, чтобы через мембрану существовал только поток изотопов дейтерия и трития и отсутствовал лоток водорода. Таким образом, в данном случае, мембрана, практически не являясь в обычных условиях селективной относительно изотопов водорода, за счет равенства парциальных давлений водорода и реакции изотопного обмена оказывается способной избирательно пропускать изотопы дейтерия и трития.

Степень разделения изотопов водорода, определенная через относительное содержание дейтерия или трития по отношению к содержанию всех его изотопов по обе стороны мембраны, оказывается. заметно выше, чем в случае протекания только реакции иэотопвого обмена, когда эффект разделения на каждой ступени равен константе равновесия реакции.

1507206

Рабочая температура в реакторах

1 и la должна поддерживаться в интервале 120-300 С. При этих температурах константы равновесия изотопного об5 мена для дейтерия и трития оказываюгся достаточно большими. Например, для 120 С константа равновесия обмена трития с водородом составляет

К, = 3,6, а дейтерия с водородом

К 1 = 2,46, Температура может быть установлена с помощью соответствующего подогрева газа-носителя.

Воду, обогащенную дейтерием и тритием, в смеси с газообразными изотопами водорода и газом-носителем из полости 11 реактора 1 через камеры 2а для восстановления водорода и после добавления необходимого количества газа-носителя подают в ре- 2р актор lа, где цикл повторяется, а степень разделения, рассчитанная по отношению к содержанию изотопов водорода в воде исходного состава, возрастает еще больше. 25

В качестве воды для получения водяного пара в испарителях 7 и 7а может быть использована вода исходного

Ф изотопного состава. При этом степень разделения на второй (и после- 30 дующих) ступенях каскада увеличивается.

Использование одного и того же инертного газа-носителя на всех участках технологической цепи напбо35 лее выгодно. Для этой цели применяются трубопроводы 9,9а, 13,13а, 15 и

15а. В частности, для сокращения расхода газа-носителя часть газа по трубопроводам 13 и 13а может быть воз-4 вращена в цикл дчя смешивания с парами воды.

Газ-носитель в целях его очистки от изотопов водорода может быть по- 45 дан в окислительные камеры 14 и 14а.

Окислительные камеры по своему устройству могут быть аналогичны реакторам 1 и lа и содержат мембрану 16 (16а) из палладия или сплава палладия 5р с серебром. В этом случае на вторичной стороне мембраны должен содержаться окислитель в виде окиси металла (в частности,"окись меди). Изотопы водорода, диффундируя ерез мем- 55 браны 16 и 16з, вступают в реакцию с окисью металла с образованием воды.

Сюда же по трубопроводам 15 и 15а полаюг пн ртный га < носитель, а продукты отводят по трубопроводам 17 и 17а.

Использованием мембран 16 и lба в окислительных камерах 14 и 14а можно снизить сопротивление прохождению газа-носителя через установку.

Из последней ступени по трубопроводу 25 смесь паров воды с газом-носителем может быть подана в конденсатор 26, откуда вода, обогащенная дейтерием и тритием, по трубопроводу

27 отводится, а газ-носитель возвращается в цикл.

В таблице приведены данные по степени разделения дейтерия, получаемые для трех различных температур

120,200 и 300 С, в установке из двух ступеней. В качестве газа-носителя использован гелий с расходом в каждом реакторе примерно 2,5 кг/с.

Данные соответствуют двум случаям: пары воды для реакторов 1 и lа образованы из воды, получаемой в испарителях 7 и 7а (случай I), и пары воды образованы из воды исходного изотопного состава (случай II):

Из таблицы видно, что уже на двух ступенях степень разделения по предлагаемому способу и устройству заметно превышает константу равновесия К, определяющую степень разделения на каждой ступени при условии протекания только реакции изотопного обмена.

Формула и з о б р е т ения

1. Способ разделения изотопов водорода, включающий восстановление изотопов водорода из воды исходного изотопного состава, контактирование образовавшихся изотопов водорода с водой посредством направления потока изотопов водорода противотоком к потоку воды и отведение потока воды, обогащенной изотопами водорода, о тл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения степени разделения, поток воды используют в виде потока водяного пара, потоки изотопов водорода и водяного пара направляют в смеси с инертш <ми газаминосителями вдоль различных сторон металлической мембраны из палладия или сплава палладия «:еребром, причем парциальное Чая:<е.<не водорода по обе стороны ме..<бра,<ы поддерживают. одинаковым и не пр.яы .<юшим 10 Па, 4

Температура t С

° °

Показатели

120 200 300

2,46

4,62 ° 10з

2,31 10

3,7

6,59

1,94

4,7 10

2, 79 10

2, 4

4,53

1,76

4, 74 10э

3, 16 10

2,43

4,67

К

Р, 2

S, 1

ll p и м е ч а н и е..К вЂ” константа равновесия изотопного обмена дейтерия с водородом, Р, и Р— парциальное давление (Па) водорода в реакторах 1 и 1а соответственно, S и S — степень разделения дейтерия для случая I и случая II соответственно.

150720 а контактирование изотопов водорода с водяным паром проводят при 120300 С.

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что поток водяного 5 пара образуют иэ воды исходного изотопного состава.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что потоки изо- 10 топов водорода и водяного пара направляют в смеси с одним и тем же инертным газом-носителем.

4. Способ по пп. 1-3, о т л ич а ю шийся тем, что часть инерт-15 ного газа-носителя, отводимого от мембраны, очищают от изотопов водорода и паров, воды и используют в качестве газа"носителя для смешения с потоками изотопов водорода и водяного 20 пара, направляемыми вдоль мембраны.

5. Устройство для разделения изотопов водорода, содержащее последовательно соединенные реакторы изотопного обмена между иэотопами водорода 25 и водой, камеры для восстановления изотопов водорода иэ воды, трубопроводы для подачи изотопов водорода иэ восстановительных камер в реакторы, трубопроводы для подачи воды в реакторы, трубопроводы для отвода воды из реакторов и ее подачи в восстановительные камеры и трубопроводы для отвода изотопов водорода из реакторов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения степени разделения, оно содержит испарители, соединенные с трубопроводами для подачи воды в реакторы, н трубопроводы для подачи инертного газа-носителя, б 10 соединенные с трубопроводами для подачи изотопов водорода и воды в реакторы, причем реакторы выполнены в виде камер, разделенных на две полости металлическими мембранами иэ палладия или сплава палладия с серебром и отделяющих поток изотопов водорода с инертным газом-носителем от потока водяного пара с инертным газом-носителем.

6. Устройство по п.5, о т л ич а ю щ е е с я тем, что о«о содержит дополнительный трубопровод с регулятором расхода, соединяющий трубопроводы для отвода изотопов водорода и трубопроводы для подачи воды в реакторы.

7. Устройство по пп. 5 и 6, о тл и ч а ю щ е е с я lc«, что оно содержит окислительные камеры,сообщающиеся с трубопроводами для отвода изотопов водорода э реакторов, и трубопроводы для соединения окислительных камер с трубопроводами для подачи инертного газа-носителя °

8. Устройство по п.7, о т л ич а ю щ Е е с я тем, что окнслительные камеры разделены металлическими мембранами иэ палладия или сплава палладия с серебром на две полости и снабжены трубопроводами для подвода инертного газа-носителя и отвода продуктов реакции в потоке газа-носителя.

9. Устройство по п.8, о т л ич а ю щ е е с я тем, что в окислительных камерах размощея слой окиси металла.