СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ Российский патент 2001 года по МПК B01D59/00 C01B4/00 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к энергетическим установкам высокого давления, и может быть использовано, например, при конструировании термоядерных мишеней мюонных каталитических реакций ядерного синтеза.

Известен способ получения тяжелых изотопов водорода повышенной плотности (Н. Н. Графов и др. Жидкотритиевая мишень. //Препринт ОИЯИ Р13-97-243), заключающийся в их подаче под низким давлением в ампулу, размещенную в отвакуумированном боксе, и сжижении их за счет охлаждения ампулы путем подачи в первичный радиатор теплообмена, контактирующий с ампулой, протия или дейтерия под малым давлением из внешнего источника до его сжижения, протекающего за счет прокачки сжиженного гелия через вторичный радиатор теплообмена, введенный в контакт с первичным радиатором теплообмена.

Недостатком известного способа получения тяжелых изотопов водорода повышенной плотности является узость технологического температурного интервала, в котором возможно исследование мюонных каталитических реакций ядерного синтеза, так как жидкотритиевая ампула по прочностным характеристикам не способна удержать высокие давления тяжелых изотопов водорода при их отеплении от криогенных температур, с одной стороны, а с другой - обеспечить требуемый уровень радиационной безопасности для открытых лабораторий при высоких температурах силовой стенки ампулы.

Кроме того, технологический цикл накопления тяжелых изотопов водорода в жидкотритиевой ампуле достаточно длителен по времени, что вызвано отсутствием прямого непосредственного контакта стенок полости ампулы с первичным радиатором теплообмена - с одной стороны, а с другой - приводит к существенной некомпактности мишени за счет наличия протяженного "теплового моста" между непосредственно стенкой полости ампулы и первичной системой теплообмена, конструктивно выполненной в виде длинной трубы, приваренной к горловине ампулы.

Известен способ получения тяжелых изотопов водорода повышенной плотности (A. J. Caffrey, F. N.Anderson, C.DeW.Van Siclen K.D.Watts and ets. Muon-catalyzed Fusion Experiments at Lampf //Muon Catalyzed Fusion, 1(1987), 53-66), заключающийся в их подаче под низким давлением в ампулу высокого давления, размещенную в отвакуумированном боксе, подключенном к системе утилизации трития, охлаждении ампулы путем прокачки сжиженного гелия через радиатор теплообмена, контактирующий с массивным выносным элементом корпуса ампулы, накоплении расчетного количества тяжелых изотопов водорода в ампуле путем их сжижения, перекрытии их подачи и прекращении прокачки сжиженного гелия с последующим разогревом ампулы до расчетной температуры.

Этот способ позволяет получить тяжелые изотопы водорода под давлением более 120 МПа при температуре свыше 550^oC.

Недостатком известного способа получения тяжелых изотопов водорода высокой плотности является его очевидная радиационная опасность при повышенных температурах, когда температура стенки ампулы становится выше температур, при которых проницаемость диффундирующего трития становится выше предельно допустимых норм для данной открытой лаборатории. Весь этот тритий попадает в отвакуумированный бокс, стенка которого является последним барьером перед открытой атмосферой Земли в процессе протекания всего рабочего цикла, что позволяет утверждать о радиационной опасности выше описанного способа, так как существует вероятность возможной разгерметизации стенки бокса, являющейся единственным рубежом защиты от возможной аварии.

Вторым существенным недостатком известного способа является большая длительность процесса накопления тяжелых изотопов водорода в ампуле при существенной некомпактности мишени - с одной стороны, а с другой - даже чрезмерно увеличенная толщина стенки ампулы приводит, по- видимому, к укороченному технологическому периоду рабочего цикла функционирования мишени в конкретном эксперименте.

Длительность технологического цикла накопления тяжелых изотопов водорода и некомпактность устройства вызваны - с одной стороны - геометрически протяженным "тепловым мостом", контактирующим массивной частью лишь с одним торцем объема ампулы, а с другой - по всей видимости, желанием увеличить рабочее время экспозиции мишени под мюонным пучком до момента появления радиационно опасных количеств трития в объеме бокса. Названная цель в известном способе решена путем существенного увеличения толщины рабочей стенки ампулы, что и привело к некомпактности мишени в целом. Именно этот временной интервал, вероятно, и ограничивает технологический цикл экспозиции мишени в целом в каждом конкретном эксперименте, при этом, безусловно, увеличенная толщина стенки ампулы приводит и к увеличенному сечению захвата мюонов на их пути в полость ампулы.

Применение гелия в качестве хладагента тяжелых изотопов водорода в объеме ампулы, температура конденсации которого примерно на шестнадцать градусов ниже температуры конденсации изотопов водорода, приводит к такому недостатку известного способа, как технологические сложности контроля количеств тяжелых изотопов водорода, накапливаемых в жидкой фазе в ампуле в процессе их подачи из внешнего источника под малым давлением.

Задачей изобретения является сокращение технологического цикла и повышение радиационной безопасности способа получения тяжелых изотопов водорода высокой плотности в компактной мишени, длительно работающей в условиях температур, при которых проницаемость диффундирующих изотопов водорода (трития) из объема ампулы становится выше предельно допустимых норм для открытых лабораторий различных стран мира.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения:
- давление газовой смеси тяжелых изотопов водорода более 120 МПа;
- рабочая температура ампулы высокого давления более 550^oC;
- малое время конденсации расчетного количества тяжелых изотопов водорода в ампуле высокого давления, отмеренных с минимальной погрешностью при их накоплении;
- компактность мишени, обеспечивающая требуемый уровень концентрации мюонов в объеме ампулы;
- радиационная безопасность способа в течение длительных экспозиций мишени при повышенных температурах под мюонным пучком ускорителя.

Указанный выше технический результат достигается тем, что в способе получения тяжелых изотопов водорода высокой плотности, заключающемся в размещении ампулы в мишени, вакуумировании мишени, подаче в ампулу изотопов водорода, включая тритий, сжижении их с помощью хладагента, удалении его после накопления в ампуле расчетного количества изотопов водорода и последующем нагреве ее до достижения требуемой плотности изотопов водорода в ней, согласно изобретению используют ампулу с двухслойной стенкой, снабженной полостью между ее слоями, в качестве хладагента используют сжиженные нерадиоактивные изотопы водорода, а сжижение изотопов водорода в ампуле осуществляют путем подачи хладагента в полость, при этом перед нагревом ампулы полость соединяют с системой утилизации изотопов водорода.

Использование ампулы с двухслойной стенкой, снабженной полостью между ее слоями, использование в качестве хладагента сжиженных нерадиоактивных изотопов водорода, а также подача хладагента (протия или дейтерия) в полость под малым давлением из внешнего источника (обеспечивается путем прокачки сжиженного гелия через вторичный технологический радиатор теплообмена) приводят к следующему техническому результату, а именно, с одной стороны, быстрому сжижению первичного теплоносителя и его накоплению в системе охлаждения ампулы, что, с другой стороны, приводит к быстрому и эффективному остыванию ампулы и конденсации в ней с высокой точностью расчетных количеств смеси тяжелых изотопов водорода за счет совпадения температуры конденсации хладагента (протия или дейтерия) и изотопов водорода (в том числе трития) в объеме ампулы.

Проникновение трития в этот момент внутрь первичной системы теплообмена (в полость между слоями стенки ампулы) за счет его диффузии через внутренний слой двухслойной стенки ампулы в полость ее системы охлаждения в радиационном отношении неопасно, так как физически невозможен в заметном объеме сам процесс диффузии атомов трития при температуре стенки ампулы намного ниже той температуры, при которой количество трития, попавшего в полость ее системы охлаждения, становится аппаратурно заметным.

Возврат хладагента (протия или дейтерия) в свой источник после накопления расчетного количества смеси тяжелых изотопов водорода в ампуле и переключение системы охлаждения на систему утилизации водорода с последующим разогревом ампулы до расчетной температуры приводят к такому техническому результату, как ускоренное испарение тяжелых изотопов водорода внутри ампулы при повышенных температурах, что, в свою очередь, приводит к появлению в ампуле тяжелых изотопов водорода расчетной плотности. Однако одновременно с этим возникает процесс проникновения трития в количествах выше предельно допустимых норм для открытых лабораторий в полость системы охлаждения ампулы.

Радиационная безопасность способа достигается тем, что тритий, проникший в полость первичной системы охлаждения ампулы (между слоями ее двухслойной стенки), непрерывно утилизируется специальной системой, при этом внутрь отвакуумированного объема мишени тритий может попасть лишь в случае вероятностного разрушения наружного слоя двухслойной стенки ампулы, что и обеспечивает высокий уровень радиационной безопасности предлагаемого способа получения тяжелых изотопов водорода повышенной плотности.

Подача первичного хладагента (протия или дейтерия) в полость между слоями двухслойной стенки ампулы приводит к такому техническому эффекту, как ускоренное накопление сжиженных в ее объеме тяжелых изотопов водорода и компактность мишени за счет исключения геометрически протяженных "тепловых мостов" - с одной стороны, а с другой - переключение первичной системы охлаждения ампулы на систему утилизации трития до ее разогрева до высоких эксплуатационных температур, но после возврата первичного хладагента в свой источник при отеплении мишени после отключения вторичного хладагента обеспечивает радиационную безопасность мишени в целом и приводит к такому техническому эффекту, как тонкостенность двухслойной стенки ампулы (ее компактность), и к такому сверхсуммарному техническому эффекту, как уменьшение сечения захвата мюонов на их пути в объем ампулы.

При этом, лишь неразрывное единство действий по подаче первичного хладагента в полость между слоями двухслойной стенки ампулы - с одной стороны, и соединение системы первичного теплоносителя мишени с системой утилизации изотопов водорода перед разогревом ампулы - с другой, позволяют получить такой технический эффект, как сокращение временного интервала накопления тяжелых изотопов водорода при обеспечении получения радиационно безопасным способом тяжелых изотопов водорода повышенных плотностей в компактном устройстве, длительно работающем выше температур, при которых проницаемость диффундирующих изотопов водорода становится выше конкретных предельно допустимых норм для открытых лабораторий различных стран мира.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема устройства для получения изотопов водорода высокой плотности, где:
1 - двухслойная ампула высокого давления;
2 - мишень;
3 - система вакуумирования и утилизации водорода (в том числе трития);
4 - внешний источник изотопов водорода (в том числе трития);
5 - внешний источник протия или дейтерия;
6 - гелиевый радиатор теплообмена;
7 - полость между слоями двухслойной стенки ампулы 1;
8, 9 - элементы системы первичного теплоносителя, закольцованные с полостью 7 ампулы 1.

Устройство содержит ампулу 1, размещенную в отвакуумированной мишени 2, подключенной к системе утилизации водорода 3, внешний источник 4 тяжелых изотопов водорода, подаваемых в ампулу 1 под малым давлением. Силовая стенка ампулы 1 выполнена двухслойной. Полость 7 между слоями двухслойной стенки ампулы 1, а также элементы 8 и 9 системы охлаждения мишени используют для подачи первичного хладагента. В качестве первичного хладагента используют сжиженные нерадиоактивные изотопы водорода, подаваемые из внешнего источника 5 и предназначенные для быстрого сжижения тяжелых изотопов водорода в ампуле 1. При этом, сам первичный теплоноситель сжижается путем прокачки сжиженного гелия через вторичный технологический радиатор теплообмена 6.

Предлагаемый способ получения тяжелых изотопов водорода высокой плотности при высоких температурах осуществляется следующим образом.

Рабочий цикл тритиевой мишени высокого давления 2 начинается с вакуумирования мишени 2 с помощью специальной системы вакуумирования 3 до абсолютного давления 10^-4 мм рт.ст. После этого осуществляют соединение накопительного объема ампулы 1 (18 см³) с внешним источником 4 смеси тяжелых изотопов водорода текущей рабочей концентрации, давление в котором не более атмосферного.

Далее внешний источник 5, заполненный первичным теплоносителем (водородом) под давлением не более 0,2 МПа избыточных, соединяют с элементами системы 8 и 9 первичного теплоносителя, закольцованными с полостью 7 двухслойной стенки ампулы 1. Во внутренний объем гелиевого радиатора теплообмена 6 из внешнего источника подается вторичный теплоноситель (жидкий гелий) с объемным расходом ≈ 10 л/час, что последовательно обеспечивает:
1) перевод первичного теплоносителя из газообразного состояния в жидкость, которая под действием гидростатического давления последовательно из объемов элементов 9 и 8 заполняет полость 7 ампулы 1 (с круговой циркуляцией жидкости 9---> 8---> 7--->9--->);
2) охлаждение внутреннего слоя стенки ампулы 1 приводит к процессу сжижения рабочей газовой смеси тяжелых изотопов водорода в накопительном объеме ампулы 1 вплоть до 100% заполнения этого объема (в случае необходимости реализации максимально возможной плотности изотопов водорода для данной конструкции мишени в ее накопительном объеме).

Контроль процесса сжижения первичного теплоносителя осуществляется по падению давления водорода в его внешнем источнике 5, а завершение процесса накопления расчетного количества смеси тяжелых изотопов водорода конкретной концентрации в накопительном объеме ампулы 1 осуществляется по падению ее давления во внешнем источнике 4 (наступление времени прекращения изменения давления в источнике 4 указывает на достижение 100% заполнения ампулы 1 сжиженными тяжелыми изотопами водорода).

После накопления в ампуле 1 расчетного количества смеси изотопов водорода прокачку сжиженного гелия через радиатор 6 отключают, что, в свою очередь, приводит к естественному отеплению мишени и повышению давления в накопительном объеме ампулы 1 (при отключенном источнике 4). Реальная конструкция тритиевой мишени высокого давления с внутренним накопительным объемом ампулы 1 в 18 см³ обеспечивает полное заполнение ампулы жидкой смесью изотопов водорода за время не более 2 часов. При отеплении ампулы от криогенных температур осуществляют возврат первичного теплоносителя в его внешний источник 5. Завершение этого процесса контролируют по величине давления в нем. Далее переключают объемы 7, 8 и 9 на систему вакуумирования и утилизации трития 3.

При необходимости далее осуществляют принудительный разогрев ампулы 1.

Величина максимально возможного давления смеси тяжелых изотопов водорода в накопительном объеме ампулы 1 (а значит, и ее температура) ограничена конструктивной прочностью стенки ампулы 1 и для данной конструкции ампулы не превышает 160 МПа при максимальной эксплуатационной температуре ампулы 550^oC. При меньших давлениях в ампуле возможен ее больший разогрев.

Разогрев ампулы 1 до рабочих температур осуществляют внешним нагревателем, расположенным на корпусе ампулы 1 (на схеме не показан). При высоких рабочих температурах ампулы 1 через внутренний слой ее стенки в полость 7 за счет диффузионных процессов проникают атомы водорода (трития) в количествах до 1·10^-2 см³/с (при температуре 530^oC), которые принудительно эвакуируются системой утилизации трития 3, что и обеспечивает радиационную безопасность эксплуатации мишени в целом.

Безусловно, технологический цикл экспозиции мишени под мюонным пучком ускорителя в конкретном эксперименте завершается тогда, когда количество утилизируемого водорода, проникшего в полость 7 двухслойной стенки ампулы, становится несовместимым по условиям физического эксперимента с абсолютным количеством и концентрацией изотопов водорода, оставшихся внутри накопительного объема ампулы в процессе текущего эксперимента.

Предлагаемый способ максимально проявляет свои положительные свойства на циклофазатронах малой мощности (г. Дубна) в силу уменьшенной величины захвата мюонов стенкой ампулы оптимальной толщины.

Изобретение предназначено для ядерной физики и может быть использовано при конструировании термоядерных мишеней моюонных каталитических реакций ядерного синтеза. Ампулу (1) с двухслойной стенкой, снабженную полостью (7) между слоями, помещают в мишень (2), подключенную к системе (3) утилизации водорода. Мишень (2) вакуумируют до давления 10^-4 мм рт.ст. В ампулу (1) подают изотопы водорода, включая тритий, из источника (4). Из внешнего источника (5) подают нерадиоактивные изотопы водорода. Сжижают нерадиоактивные изотопы прокачкой сжиженного гелия через радиатор теплообмена (6). Сжиженные нерадиоактивные изотопы (первичный хладагент) подают в полость (7) для сжижения изотопов водорода в ампуле (1) через закольцованные с полостью (7) элементы (8) и (9). После накопления в ампуле (1) расчетного количества изотопов водорода ее нагревают до достижения необходимой плотности изотопов водорода. Способ радиационно безопасен, обеспечивает сокращение технологического цикла. Устройство компактно, рабочее давление - более 120 МПа, температура - более 550^oC. 1 ил.

Способ получения изотопов водорода высокой плотности, заключающийся в размещении ампулы в мишени, вакуумировании мишени, подаче в ампулу изотопов водорода, включая тритий, сжижения их с помощью хладагента, удалении его после накопления в ампуле расчетного количества изотопов водорода и последующем нагреве ее до достижения требуемой плотности изотопов водорода в ней, отличающийся тем, что используют ампулу с двухслойной стенкой, снабженной полостью между ее слоями, в качестве хладагента используют сжиженные нерадиоактивные изотопы водорода, а сжижение изотопов водорода в ампуле осуществляют путем подачи хладагента в полость, при этом перед нагревом ампулы полость соединяют с системой утилизации изотопов водорода.