СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА Российский патент 1996 года по МПК B01D3/00 B01D59/04 C01B4/00 

Изобретение относится к области термоядерного синтеза и может быть использовано для выделения дейтерия и трития из смеси изотопов водорода.

Смесь изотопов водорода за счет обменных реакций состоит из шести компонентов, а именно: Н₂, Д₂, T₂, НТ, ДТ и НД. Для их разделения используют способ криогенной дистилляции. Известно изобретение (1), по которому смесь изотопов водорода подают в систему четырех криогенных колонн, соединенных с двумя эквилибраторами, в которых разрушают молекулы НТ с использованием больших количеств рециклированного дейтерия. На выходе из этой системы получают поток НД и высокочистые потоки Д₂, ДТ и Т₂. Дистилляцию проводят при температуре 20-25^oК. В качестве холодильного цикла в этом процессе можно использовать жидководородный или гелиевый цикл.

Описанный способ имеет следующие недостатки:
1. Сложность разделения молекул Д₂ и НТ в связи с тем, что они имеют близкие массы.

2. Большая пожаро- и взрывоопасность процесса из-за использования в качестве хладагента жидкого водорода.

3. Большая энерго- и материалоемкость в связи с работой при 20^oК и необходимостью разделения шестикомпонентной смеси.

Изобретение решает задачу устранения перечисленных выше недостатков.

Это достигается за счет того, что на предварительной стадии осуществляют химическое взаимодействие газообразной шестикомпонентной смеси изотопов водорода с галоидом. Полученные галоидводороды направляют на дистилляционное разделение с последующим их разложением для получения изотопов водорода в чистом виде. Разложение можно осуществить любым известным методом, например, с использованием тлеющего разряда или лазера, термическим разложением, электролизом или др. Химическое воздействие изотопов водорода с галоидом описывают следующими формулами: Н₂+Х₂-2НХ (1) Д₂+Х₂=2ДХ (2), Т₂+Х₂=2ТХ (3), ИД+Х₂=НХ+ДХ (4), НТ+Х₂=НХ+ТХ (5), ДТ+Х₂=ДХ+ТХ (6), где: X F, Cl, Вr, I.

Взаимодействие фтора с водородом происходит со взрывом и настолько бурно, что не находит практического применения для получения фтористого водорода. Остальные галоидводороды получают прямым взаимодействием соответствующего галоида с водородом при температуре до 773 К с использованием платинированного асбеста в качестве катализатора, либо без катализатора, но при более высоких температурах.

Получаемые галоидводороды имеют температуры кипения, приведенные ниже.

Соединение Температура кипения К
НCl 188,1
HВr 206,0
Нi 237,6
Галоиды водорода имеют температуры кипения гораздо выше, чем температура кипения чистых изотопов водорода. Сдедовательно, для разделения смеси галоидов изотопов водорода методом дистилляции потребуется меньше энергетических затрат, чем для разделения смеси чистых изотопов водорода.

Следует учитывать, что природные бром и хлор состоят из смеси двух стабильных изотопов. В случае хлора это Сl³⁵ и Cl³⁷, a в случае брома Br⁷⁹ и Br⁸¹. Поэтому в случае хлорводородов и бромводородов на дистилляцию будут поступать смеси, состоящие из шести компонентов. Для хлора это (I) HCl³⁵, HCl³⁷, DCl³⁵, DCl³⁷, TCl³⁵ и TCl³⁷, а для брома (II) -HBr⁷⁹, HBr⁸¹, DBr⁷⁹, DBr⁸¹, TBr⁷⁹, TBr⁸¹. В этих смесях по два компонента имеют близкие массы: в I HCl³⁷ и TCl³⁵, а во II HBr⁸¹ и HBr⁷⁹, что может внести определенные сложности в разделение этих смесей методом дистилляции.

Природный йод состоит из одного стабильного изотопа, поэтому в отличие от брома и хлора, смесь иодидов изотопов водорода состоит из отличающихся по массе молекул трех видов Н₁, Д₁ и Т₁.

Теплоты образования НСl, НBr и Hi составляют 21,9 8,6 и 6,2 ккал/моль соответственно, поэтому энергия, необходимая для разложения галоидводородов, убывает в ряду E_HCl>E_HBr>E_Hi.

Следовательно, исходя из температуры кипения галоидводородов, энергии их разложения и изотопного состава, иод обладает несомненным преимуществом, т. к. для осуществления процесса разделения изотопов водорода с его участием потребуется гораздо меньше энергетических затрат.

Таким образом, на разделение поступает трехкомпонентная или шестикомпонентные смеси, имеющие гораздо более высокие температуры кипения по сравнению с температурами кипения изотопов водорода, существенно понижается энерго- и материалоемкость процесса разделения. Для достижения температуры кипения галоидводорода вместо жидкого водорода можно использовать более дешевый и негорючий хладагент, например пары жидкого азота, что уменьшает затраты на хладагент и значительно повышает степень пожаро- и взрывобезопасности процесса разделения. Общая схема процесса разделения изображена на чертеже.

Установка для разделения изотопов включает линии 1 и 2 для подачи соответственно исходной смеси изотопов и галоида, осушители исходной смеси изотопов 3 и газообразного галоида 4, линии 5 и 6 для подачи соответственно осушенной смеси изотопов и галоида в реактор 7, линию 8 для вывода прореагировавшей смеси из реактора 7, конденсатор 9, и линию 10 для подачи непрореагировавшего йода в реактор 7, линию 11 для подачи смеси галоидпроизводных изотопов в конденсатор 12, линию 13 для подачи несконденсированной смеси изотопов и галоидпроизводных в реактор 7, линию 14 для подачи смеси жидких галоидпроизводных изотопов в дистиллятор 15, линии 16,17,18 для подачи разделенных галоидпроизводных изотопов в разложителе 19, 20, 21 линии 22, 23, 24 для подачи разделенных изотопов потребителю, а также 25, 26, 27, 28 для подачи отделенного галоида в реактор 7.

Способ осуществляют следующим образом.

Пример 1. Газообразную смесь изотопов водорода подают по линиям 1 и 5 через осушитель 3 в реактор 7. По линиям 2 и 6 через осушитель 4 подают газообразный йод в реактор 7 в избыточном количестве. Реакцию ведут при 773К в присутствии катализатора платинированного асбеста. На выходе из реактора 7 получают смесь из НJ, ДJ и TJ, непрореагировавших изотопов водорода и йода и направляют его по линии 8 в конденсатор 9, в котором поддерживают температуру 393-403 К. В конденсаторе 9 газовую смесь очищают от паров непрореагировавшего йода, который по линии 10 возвращают в реактор 7. Газовый поток, очищений от йода, подают по линии 11 в конденсатор 12, где поддерживают температуру 237К, где происходит конденсация НJ, ДJ, TJ. Несконденсированные непрореагировавшие изотопы водорода по линии 13 подают в реактор 7. Смесь жидких НJ, ДJ и ТJ направляют по линии 14 на дистилляцию в дистиллятор или дистилляторы 15 для получения отдельных галоидпроизводных изотопов, направляемых затем по линиям 16, 17 и 18 в разложители 19, 20, 21 где получают чистые Н₂, Д₂ и Т₂, а выделенный из разложителей йод по линиям 25, 26, 27 и 28 возвращают в реактор 7.

Пример 2. Отличается от примера 1 тем, что вместо йода используют бром. Температуру в реакторе 7 поддерживают в интервале 473 573 К, в конденсаторе 9-273-288 К, в конденсаторе 12 206,0 К, а дистилляторах 15 206 211 К,
Пример 3. Отличается от примера 1 тем, что вместо иода используют хлор. Температура в реакторе 7 равна 437 К, в конденсаторе 9-230 К, в конденсаторе 12 188 К, а в дистилляторах 15-188-203 К.

Использование: разделение изотопов водорода при термоядерном синтезе. Сущность изобретения: газообразную смесь изотопов водорода обрабатывают газообразным галоидом, например, йодом, при 473- 773К в присутствии катализатора - платинированного асбеста. Смесь галоидпроизводных отделяют от непрореагировавшего галоида в конденсаторе при 230-403K. Очищенную смесь галоидпроизводных конденсируют при 188-273K. Смесь жидких изотопов подвергают дистилляции при 187-243K. Галоидпроизводные изотопов разлагают, галоид направляют на стадию обработки исходной смеси. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ разделения изотопов путем дистилляции, отличающийся тем, что исходную смесь изотопов перед дистилляцией обрабатывают газообразным галоидом, полученную смесь галоидпроизводных отделяют от непрореагировавшего галоида, а отделенную смесь конденсируют и направляют на дистилляцию с последующим разложением галоидпроизводных, причем полученный галоид направляют на стадию обработки исходной смеси. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве галоида используют йод.