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

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к исследовательским и энергетическим установкам высокого давления и может быть использовано, например, при конструировании мишеней для исследования мюонного катализа ядерных реакций синтеза.

Известен способ получения высокой плотности тяжелых изотопов водорода (Н.Н.Графов и др. Жидкотритиевая мишень // ПТЭ, 1(1999)21-27), заключающийся в их подаче в ампулу, размещенную в вакуумируемом боксе, и сжижении их за счет охлаждения ампулы путем подачи в первичный радиатор теплообмена, контактирующий с ампулой, протия или дейтерия под малым давлением от 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 высокой плотности тяжелых изотопов водорода является принципиальная невозможность достижения в ампуле плотности изотопов водорода, превышающей их плотность в жидкой фазе при температуре сжижения под малым давлением.

Кроме того, недостатком известного способа получения высокой плотности тяжелых изотопов водорода является узость температурного интервала, в котором возможно исследование мюонного катализа ядерных реакций синтеза, так как элементы жидкотритиевой мишени по прочностным характеристикам не способны удержать высокие давления 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.

Известен способ получения высокой плотности тяжелых изотопов водорода (A. J.Caffrey, F.N.Anderson, C.DeW.Van Siclen, K.D.Watts et al. 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 вакуумируемом 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 жидких изотопов водорода в ампуле, перекрытии коммуникаций их подачи и прекращении прокачки сжиженного гелия с последующим разогревом ампулы до эксплуатационной температуры.

Недостатками известного способа получения высокой плотности тяжелых изотопов водорода являются:
1) принципиальная невозможность получения в ампуле плотности изотопов водорода выше, чем их плотность в жидком состоянии под малым давлением;
2) его радиационная опасность при повышенных температурах эксплуатации, когда проницаемость диффундирующего через стенку ампулы трития становится высокой.

Весь этот тритий попадает в вакуумируемый бокс, происходит радиоактивное загрязнение оборудования, размещенного в боксе. Кроме того, в случае возможной разгерметизации стенки бокса тритий может попасть в окружающую среду.

Задачей изобретения является получение плотности тяжелых изотопов водорода в ампуле большей, чем их плотность в жидком и твердом состоянии при температурах сжижения под низким давлением с одновременным повышением радиационной безопасности способа в интервале эксплуатационных температур от температуры сжижения до температур, при которых диффузия изотопов водорода становиться существенной с точки зрения радиационной опасности.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения:
1) возможность достижения в ампуле плотностей тяжелых изотопов водорода до
ρ ≥ ρTэксп.≥10Кжидк.,тела

Указанный выше технический результат достигается тем, что в известном способе получения высокой плотности тяжелых изотопов водорода, заключающемся в размещении ампулы в мишени, вакуумировании полости мишени с последующим подключением ее к системе утилизации изотопов водорода, заполнении ампулы от источника низкого давления газообразными изотопами водорода, включая тритий, охлаждении мишени до сжижения изотопов водорода в ампуле и накоплении в ней расчетного количества жидких изотопов водорода, согласно изобретению одновременно с ампулой в полости мишени размещают термодесорбционный источник изотопов водорода высокого давления, корпуса которых выполняют многослойными, при этом перед подачей изотопов водорода в ампулу вентилируемые межрубашечные полости корпусов подключают к системе утилизации изотопов водорода, а после накопления в ампуле расчетного количества жидких изотопов водорода ее отключают от источника низкого давления и соединяют с термодесорбционным источником. Согласно изобретению возможно отключение ампулы от термодесорбционного источника при достижении в системе фаз изотопов водорода пар/жидкость динамического равновесия.

Одновременное с ампулой размещение в полости мишени термодесорбционного источника изотопов водорода высокого давления, силовые корпуса которых выполнены многослойными, и подключение их вентилируемых межрубашечных полостей к системе утилизации изотопов водорода перед подачей изотопов водорода в ампулу обеспечивает такой технический эффект, как внутреннюю защиту наружных силовых оболочек (наружных рубашек) ампулы и термодесорбционного источника от диффузионного водорода, проникающего в их межрубашечные полости при высоких эксплуатационных температурах ампулы и термодесорбционного источника. Это и обеспечивает радиационную безопасность способа для открытых лабораторий, так как внутрь непрерывно вакуумируемой полости мишени тритий может попасть лишь в случае вероятностной аварии (разгерметизации не только внутренних оболочек силовых корпусов агрегатов высокого давления системы, но и внешних), что, тем не менее, не приведет к проникновению трития в окружающее воздушное пространство за счет действующей системы утилизации изотопов водорода. При этом, безусловно, требования эксплуатации мишени должны гарантировать невозможность появления величин аварийных давлений изотопов водорода в полости мишени, превышающих ее несущую способность, что достигается за счет правильного выбора ее свободных объемов и максимальных количеств изотопов водорода в ампуле.

Накопление в объеме ампулы расчетного количества сжиженных изотопов водорода (включая случай полного заполнения ампулы) при температуре сжижения под низким давлением из внешнего источника путем прокачки сжиженного хладагента через массивный выносной радиатор теплообмена, введенный через тепловой мост в контакт с наружной поверхностью ампулы, обеспечивает такой первичный технический эффект, как радиационно безопасный способ накопления сжиженных тяжелых изотопов водорода в объеме ампулы.

Радиационная безопасность этого цикла функционирования мишени очевидна, так как диффузия атомов трития при температурах сжижения изотопов водорода практически отсутствует.

Соединение ампулы после накопления в ней расчетного количества жидких изотопов водорода с термодесорбционным источником изотопов водорода высокого давления обеспечивает такой первичный технический эффект, как повышение плотности сжиженных изотопов водорода. При этом, очевидно, что по времени сам процесс накопления дополнительного количества изотопов водорода в объеме ампулы контролируется скоростью охлаждения газа системой охлаждения мишени и величиной давления на границе фаз пар/жидкость. Однако внутреннее свойство термодесорбционного источника высокого давления изотопов водорода поддерживать при постоянной расчетной температуре давление газовых смесей на одном уровне обеспечивает такой сверхсуммарный технический эффект, как возможность пересчета величин контролируемого давления и температуры в величину плотности изотопов водорода.

Сам процесс получения в ампуле при температуре сжижения максимально возможной плотности изотопов водорода в неразрывном единстве со способом охлаждения ампулы (охлаждению подвергают всю наружную поверхность ампулы таким образом, чтобы отепленный газ из термодесорбционного источника до попадания в ампулу не контактировал с радиатором системы охлаждения в процессе его конденсации в ней) обеспечивает такой сверхсуммарный технический эффект, как появление возможности контроля момента достижения максимальной плотности в ампуле по моменту установления динамического равновесия фаз в системе пар/жидкость, граница которой устанавливается в тонком подводящем газ капилляре на некоторой высоте от наружной стенки ампулы.

Безусловно, процесс, описанный выше, возможен и при получении меньших плотностей (от максимально возможной) в ампуле, при этом, естественно, уровень давления в термодесорбционном источнике (или предварительная расчетная температура его разогрева) выбирается на меньшем (от давления, обеспечивающем максимальную плотность) уровне в строгом расчетном соответствии с значением той плотности, которую требуется получить в ампуле.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема устройства для получения высокой плотности изотопов водорода, где:
1 - двухслойная ампула высокого давления;
2 - вакуумируемая мишень;
3 - система утилизации изотопов водорода (в том числе трития);
4 - внешний источник изотопов водорода малого давления;
5 - термодесорбционный источник изотопов водорода высокого давления на основе, например, гидридов ванадия;
6 - системы вентилируемых полостей ампулы 1 и термодесорбционного источника 5, закольцованные на систему утилизации изотопов водорода 3;
7 - гелиевый выносной радиатор теплообмена;
8 - тепловой мост;
9 - капиллярный ампульный ввод газовой магистрали.

Устройство содержит двухслойную ампулу высокого давления 1, размещенную в вакуумируемой полости мишени 2, подключенной к системе утилизации изотопов водорода 3.

Устройство содержит также термодесорбционный источник изотопов водорода высокого давления 5 на основе, например, гидридов ванадия, внесенный в полость мишени 2 с возможностью подключения к ампуле 1.

Двухслойные силовые корпуса ампулы 1 и термодесорбционного источника 5 снабжены системами вентилируемых полостей 6 их межрубашечных пространств, подключенных к системе утилизации изотопов водорода 3.

Выносной массивный гелиевый радиатор теплообмена 7 через тепловой мост 8 (выполнен из меди), введенный в контакт с наружной поверхностью ампулы 1, обеспечивает глубокое охлаждение полости последней, а также некоторой части длины капиллярного ввода 9 газовой магистрали ампулы 1, примыкающей к ее наружной поверхности.

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

Ампулу 1 размещают в мишени 2, вакуумируют полости мишени 2 и подключают их к системе утилизации изотопов водорода 3. Из внешнего источника низкого давления 4 газообразные тяжелые изотопы водорода, включая тритий, подают в объем ампулы 1, при этом перед подачей изотопов водорода в ампулу 1 вентилируемые межрубашечные полости 6 силовых корпусов ампулы 1 и термодесорбционного источника 5 подключают к системе утилизации изотопов водорода 3.

После чего осуществляют процесс охлаждения мишени 2, заключающийся в прокачке сжиженного гелия через радиатор теплообмена 7, что обеспечивает охлаждение медного теплового моста 8 и, как следствие (за счет введения в контакт теплового моста 8 с наружной поверхностью ампулы 1), глубокое охлаждение (до температур сжижения изотопов водорода) внутренней поверхности силового корпуса ампулы 1.

Охлаждение ампулы 1, в свою очередь, обеспечивает процесс накопления в ней расчетного количества жидких изотопов водорода (включая полное заполнение объема ампулы 1).

После заполнения объема ампулы 1 источник малого давления изотопов водорода 4 отключают, а к ампуле 1 подключают на требуемое время термодесорбционный источник 5 с той же концентрацией изотопов водорода, предварительно разогретый на требуемую температуру.

По истечении требуемого времени термодесорбционный источник 5 отключают от ампулы 1, которая затем отепляется до эксплуатационной температуры, при этом радиационная безопасность мишени обеспечивается непрерывной откачкой диффундирующих изотопов водорода системой их утилизации 3 из систем вентиляционных полостей 6 двухслойных корпусов ампулы 1 и термодесорбционного источника 5 (до его отключения).

Сам выбор требуемого времени, в течение которого термодесорбционный источник изотопов водорода высокого давления 5 подключен к ампуле 1, имеет два технологических сценария.

Сценарий 1. Используя свойства термодесорбционного источника поддерживать при постоянной температуре давление газовых смесей на границе фаз газ/поглотитель в замкнутом объеме на одном уровне, выбирают такой ее уровень, который отвечает уровню давления газовой фазы, обеспечивающей в момент отключения термодесорбционного источника давление в нем выше давления динамического равновесия в системе пар/жидкость при 100% дозаполнении объема ампулы сжиженными изотопами водорода.

Описанный сценарий получения изотопов водорода высокой плотности предполагает, что в момент отключения термодесорбционного источника объем ампулы заполнен жидкими изотопами водорода не полностью, при этом количественно величина погрешности достигнутой номинальной плотности достаточно велика, так как количество изотопов водорода, сжиженное в ампуле, определяется пересчетом конечного расчетного давления в системе газ/поглотитель на количество оставшегося газа в поглотителе термодесорбционного источника.

Сценарий 2. Другой сценарий получения высокой плотности изотопов водорода предполагает выбирать такой первоначальный температурный уровень разогрева термодесорбционного источника, когда момент его отключения контролируется процессом наступления динамического равновесия фаз в системе пар/жидкость, что обеспечивается повторным 100% дозаполнением объема ампулы 1 сжиженными изотопами водорода, которое, в свою очередь, обеспечивается специальной конструкцией устройства системы охлаждения ампулы 1 и ее капиллярного ввода 9.

После достижения в ампуле 1 требуемой плотности сжиженных изотопов водорода, находящихся под высоким давлением, она отепляется, что поднимает рабочее эксплуатационное давление в ампуле до максимально возможной величины порядка 600 МПа.

Газовая смесь трех изотопов водорода, находящаяся под расчетным высоким давлением при повышенной температуре, начинает проникать через внутреннюю оболочку двухслойной ампулы 1 высокого давления в вентилируемые каналы 6 ее силового корпуса в количествах, которые существенно превышают допустимые нормы по тритию. Система утилизации 3, подключенная к вентиляционным каналам 6, обеспечивает очень низкое парциальное давление трития на внутренней поверхности наружного слоя корпуса ампулы 1 и термодесорбционного источника 5 (в момент его функционирования), что и обеспечивает радиационную безопасность предлагаемого способа получения тяжелых изотопов водорода высокой плотности в режиме эксплуатации мишени 2. Величина максимально возможной достижимой плотности изотопов водорода в ампуле при температуре сжижения ограничивается величиной максимального рабочего давления термодесорбционного источника высокого давления, с одной стороны, а с другой - при максимальных эксплуатационных температурах ампулы она ограничивается конечной величиной несущей способности корпуса ампулы (максимально допустимым рабочим давлением газовой смеси изотопов водорода).

Безусловно, технологический цикл экспозиции мишени 2 в конкретном физическом эксперименте завершается тогда, когда количество утилизируемого водорода, проникшего в вентиляционные каналы 6 двухслойной ампулы 1, становится несовместимым по условиям эксперимента с плотностью изотопов водорода, оставшихся внутри объема ампулы 1 в процессе текущего эксперимента.

Использование: например, для исследования мюонного катализа ядерных реакций синтеза. Сущность изобретения: способ заключается в размещении ампулы 1 в мишени 2, вакуумировании полости мишени 2 с последующим подключением ее к системе утилизации изотопов водорода 3, заполнении ампулы 1 от источника низкого давления 4 газообразными изотопами водорода, включая тритий, охлаждении мишени 2 до сжижения изотопов водорода в ампуле 1 и накоплении в ней расчетного количества жидких изотопов водорода. Одновременно с ампулой 1 в полости мишени 2 размещают термодесорбционный источник изотопов водорода высокого давления 5, корпуса которых выполняют многослойными. При этом перед подачей изотопов водорода в ампулу 1 вентилируемые межрубашечные полости 6 корпусов подключают к системе утилизации изотопов водорода 3. После накопления в ампуле 1 расчетного количества жидких изотопов водорода ее отключают от источника низкого давления 4 и соединяют с термодесорбционным источником 5. Ампулу 1 отключают от термодесорбционного источника 5 при достижении в системе фаз изотопов водорода пар/жидкость динамического равновесия. Технический результат: способ обеспечивает радиационную безопасность в течение длительных экспозиций мишени при повышенных температурах, а также возможность получения в ампуле 1 плотностей тяжелых изотопов водорода до ρ ≥ ρTэксп.≥10Кжидк.,тв.тела

1. Способ получения высокой плотности изотопов водорода, заключающийся в размещении ампулы в мишени, вакуумировании полости мишени с последующим подключением ее к системе утилизации изотопов водорода, заполнении ампулы от источника низкого давления газообразными изотопами водорода, включая тритий, охлаждении мишени до сжижения изотопов водорода в ампуле и накоплении в ней расчетного количества жидких изотопов водорода, отличающийся тем, что одновременно с ампулой в полости мишени размещают термодесорбционный источник изотопов водорода высокого давления, корпуса которых выполняют многослойными, при этом перед подачей изотопов водорода в ампулу вентилируемые межрубашечные полости корпусов подключают к системе утилизации изотопов водорода, а после накопления в ампуле расчетного количества жидких изотопов водорода ее отключают от источника низкого давления и соединяют с термодесорбционным источником. 2. Способ получения высокой плотности изотопов водорода по п.1, отличающийся тем, что отключают ампулу от термодесорбционного источника при достижении в системе фаз изотопов водорода пар/жидкость динамического равновесия.