СПОСОБ ХРАНЕНИЯ И ВЫДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК C01B4/00 

Изобретение относится к области хранения и выделения изотопов водорода и может быть использовано в составе газовых установок высокого и низкого давления.

В данной области известен способ абсорбции и выделения водорода с применением сплава, поглощающего водород и устройство для его осуществления. Патент Японии №6092241 В4 (заявка №61-230375 с приоритетом от 29.09.86), опубл. 16.11.94, МПК⁶ С01В 3/00, журнал «ИСМ», выпуск 37, №4, 1998, стр.9. Способ заключается в сорбции водорода гидридообразующим сплавом и десорбции водорода из полученного гидрида. Гидридообразующий сплав контактирует с веществом, электросопротивление которого выше, чем у сплава. При подаче электрического тока данное вещество нагревается. При помощи этого нагрева регулируется протекание реакций сорбции и десорбции водорода. Устройство для обеспечения данного способа содержит корпус, в котором установлена деталь из гидридообразующего сплава и вещества, электросопротивление которого выше, чем у сплава. К детали подсоединены электроды, при подаче тока по которым она нагревается, в результате чего регулируется протекание реакций сорбции и десорбции водорода. Это устройство может быть использовано для подачи в приемник водорода.

Известный способ и устройство имеют следующие недостатки. Они не обеспечивают возможность многократного использования устройства, т.к. в результате протекания нескольких циклов сорбции-десорбции неизбежно произойдет преобразование гидридообразующего сплава в порошок, что приведет к разрушению детали, состоящей из него и вещества с более высоким электрическим сопротивлением. Нагрев гидридообразующего сплава осуществляется за счет нагрева вещества с большим электрическим сопротивлением, при этом также осуществляется нагрев элементов корпуса устройства, что сопряжено с большими временными потерями.

Известен способ ввода и отбора изотопов водорода сверхвысокой чистоты и устройство для его осуществления. Заявка Японии №5913701, опубл. 07.08.84, МПК⁶ C01B 4/00. Способ заключается в сорбции и десорбции изотопов водорода деталью из гидрида металла, протекание реакций сорбции и десорбции регулируют с помощью электронагревателя при подаче на него напряжения. Устройство для обеспечения данного способа содержит вакуумированную рабочую камеру с выходным патрубком, установленные в ней деталь из гидрида металла и блок с нагревателем, выполненным в виде проволочной спирали. Деталь из гидрида металла расположена коаксиально вокруг нагревателя. В рабочей камере размещена экранирующая тепло оболочка, которая разделяет рабочую камеру на два объема, в одном из которых находятся деталь из гидрида металла и нагреватель, а другой объем соединен с выходным патрубком. При подаче напряжения проволочная спираль нагревается и под действием тепла происходит десорбция изотопов водорода из гидрида металла. Выделившийся в рабочую камеру газ через патрубок подается в приемник.

Известный способ и устройство имеют следующие недостатки. Они не обеспечивают возможность многократного использования устройства, т.к. в результате протекания нескольких циклов сорбции-десорбции неизбежно произойдет преобразование гидридообразующего сплава в порошок, что приведет к разрушению детали, состоящей из него. Нагрев гидрида металла осуществляется за счет нагрева проволочной спирали при подаче на нее напряжения, при этом также осуществляется нагрев элементов корпуса устройства, что сопряжено с большими временными потерями.

Известен способ подачи изотопов водорода в приемник и устройство для подачи водорода в приемник (варианты). Патент РФ №2234973, опубл. 27.08.2004, МПК B01D 59/00. Способ заключается в том, что изотопы водорода десорбируются из детали из гидрида металла в результате ее разогрева под действием тока, проходящего через электроды, а мембрана или нагреватель, выполненный в виде мембраны, селективно пропускают целевой изотоп водорода, который выводится через выходной патрубок. Устройство для обеспечения данного способа содержит корпус, в котором установлена деталь из гидрида металла, заключенная в пористую оболочку, нагреватель, электроды, выходной патрубок и патрубок с заглушкой. Деталь из гидрида металла может быть выполнена в виде полого цилиндра и установлена коаксиально нагревателю, а может быть выполнена плоской, например, в виде таблетки, а нагреватель расположен над ее поверхностью. Изотопы водорода десорбируются из детали из гидрида металла в результате ее разогрева под действием тока, проходящего через электроды. Мембрана или нагреватель, выполненный в виде мембраны, селективно пропускают целевой изотоп водорода, который выводится через выходной патрубок.

Известный способ и устройство имеют следующие недостатки. Нагрев гидрида металла осуществляется нагревателем под воздействием тока, при этом дополнительно нагреваются элементы корпуса устройства. Подобный процесс требует затрат большого количества времени. При этом также увеличивается диффузионный поток изотопов водорода через металлические стенки устройства, что приводит не только к потерям целевых изотопов, но и, в случае работ с тритием, к ухудшению показателей безопасности устройства.

Наиболее близким по технической сущности является способ сорбции и десорбции изотопов водорода гидридом ванадия «Термодесорбционные источники изотопов водорода на основе гидрида ванадия». Изотопы водорода. Фундаментальные и прикладные исследования: Сборник статей / Под ред. д-ра техн. наук А.А. Юхимчука. Саров. ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2009, с.516-525. Способ заключается в сорбции водорода ванадием и десорбции водорода из его гидрида. Протекание реакций сорбции и десорбции водорода регулируется нагревом ванадия или его гидрида внешним нагревателем. Устройство для обеспечения данного способа содержит составной герметичный корпус, расположенный в нем брикет из гидридообразующего металла (ванадия) или его гидрида, крышку с фильтрующим элементом, магистраль для подачи и вывода газа, нагреватель, установленный снаружи герметичного корпуса. Процессы сорбции и десорбции изотопов водорода управляются нагревом ванадия при помощи внешнего электронагревателя.

Известные способ и устройство имеют следующие недостатки. Для прогрева ванадия с помощью внешнего электронагревателя прежде необходимо также прогреть стенки корпуса поглотителя и силового корпуса, для остывания ванадия стенки данных корпусов также должны остыть. Это влечет за собой большие временные потери при функционировании устройства. Кроме того, металлические стенки корпусов устройства пропускают диффузионный поток изотопов водорода, который увеличивается с ростом температуры. Это приводит к потерям изотопов водорода, а в случае работ с тритием снижает безопасность эксплуатации устройства.

Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства, обеспечивающих увеличение быстродействия при управлении процессами сорбции и десорбции изотопов водорода при одновременном уменьшении диффузионных потерь изотопов водорода и увеличении безопасности при работах с тритием.

При использовании настоящего изобретения достигается следующий технический результат:

- снижается минимум на 4 порядка проницаемость изотопов водорода через герметичный корпус устройства, что позволяет приблизить к нулю диффузионные потери изотопов водорода;

- повышается безопасность эксплуатации устройства при работе с тритием;

- снижается на сотни градусов температура герметичного корпуса;

- сокращаются на 3-4 порядка (от десятков часов до минут) времена проведения технологических операций, связанных с нагревом гидридообразующего металла или гидрида;

- появляется возможность достижения более полного извлечения изотопов водорода из металлогидрида за счет более высокого его разогрева, вплоть до плавления, в случае окончательной утилизации устройства.

Для решения указанной задачи и достижения технического результата в способе хранения и выделения изотопов водорода, заключающемся в предварительной сорбции газа гидридообразующим металлом, расположенным в герметичном корпусе, и последующей десорбции газа из полученного гидрида металла, при этом протекание реакций сорбции и десорбции регулируют с помощью нагрева, согласно изобретению нагрев гидридообразующего металла или гидрида осуществляют индукционным нагревателем, а герметичный корпус выполняют из электроизолирующего материала, способного выдерживать температуру протекания реакций сорбции и десорбции.

Для осуществления указанного способа предлагается устройство для хранения и выделения изотопов водорода, содержащее герметичный корпус, расположенный в нем брикет из гидридообразующего металла или его гидрида, фильтрующий элемент, магистраль для подачи и вывода газа, нагреватель, установленный снаружи корпуса, в котором согласно изобретению для нагрева брикета из гидридообразующего металла или гидрида использован индукционный нагреватель, а корпус выполнен из электроизолирующего материала, способного выдерживать температуру протекания реакций сорбции и десорбции.

В одном из вариантов предложенного устройства брикет из гидридообразующего металла или его гидрида заключен в металлический чехол, сообщающийся с магистралью для подачи и вывода газа и установленный в герметичном корпусе с образованием полости.

В другом варианте предложенного устройства брикет из гидридообразующего металла или его гидрида заключен в металлический чехол, сообщающийся с магистралью для подачи газа и установленный в герметичном корпусе с образованием полости, при этом внутренний объем чехла сообщен с полостью через дополнительный фильтрующий элемент, а полость соединена с магистралью для вывода газа.

В заявленных способе и устройстве сорбция газа гидридообразующим металлом и десорбция изотопов водорода из гидрида металла происходит в герметичном корпусе, при нагреве гидридообразующего металла или гидрида металла при помощи индукционного нагревателя. Герметичный корпус выполнен из электроизолирующего материала, например из керамики на основе оксида алюминия, в связи с чем индукционный нагреватель осуществляет нагрев непосредственно гидридообразующего металла или его гидрида, никоим образом не оказывая воздействия на стенки герметичного корпуса, т.к. он выполнен из электроизолирующего материала, а значит наведение в нем индукционных токов невозможно. Кроме того, керамика на основе оксида алюминия является термостойкой и обладает водородопроницаемостью на порядки меньшей, чем обычно используемые в таких случаях нержавеющие стали (например, 12Х18Н10Т), водородопроницаемость которых с повышением температуры также увеличивается. Следовательно, использование индукционного нагревателя и герметичного корпуса, выполненного из электроизолирующего материала, способного выдержать температуру нагрева гидридообразующего металла или его гидрида, приводят к ускорению их нагрева с одновременным уменьшением диффузионных потерь изотопов водорода через стенки герметичного корпуса, а значит, в случае работ с тритием, и к улучшению показателей безопасности.

На фиг.1-3 схематично представлены устройства для хранения и выделения изотопов водорода.

На фиг.4 представлен график зависимости температур (t1 - герметичного корпуса и t2 - гидрида титана) и давления Р внутри герметичного корпуса от времени.

Устройство на фиг.1 содержит герметичный корпус 1, внутри которого расположен брикет 2 из гидридообразующего металла или гидрида металла, а также установлен фильтрующий элемент 3. Корпус 1 выполнен из электроизолирующего материала, способного выдерживать температуру протекания реакций сорбции и десорбции, и снабжен магистралью 4 для подачи и вывода газа. Снаружи корпуса 1 установлен индукционный нагреватель 5.

Устройство на фиг.2 содержит герметичный корпус 1, выполненный из электроизолирующего материала, способного выдерживать температуру протекания реакций сорбции и десорбции. Внутри корпуса 1 в металлическом чехле 6 расположен брикет 2 из гидридообразующего металла или гидрида металла, а также установлен фильтрующий элемент 3. Чехол 6 и корпус 1 образуют полость 7. Корпус 1 оснащен магистралью для подачи и вывода газа 4, сообщающуюся с внутренним объемом чехла 6 через фильтрующий элемент 3. Снаружи корпуса 1 установлен индукционный нагреватель 5.

Устройство на фиг.3 содержит герметичный корпус 1, выполненный из электроизолирующего материала, способного выдерживать температуру протекания реакций сорбции и десорбции. Внутри него расположен брикет 2 из гидридообразующего металла или гидрида металла, а также установлен фильтрующий элемент 3, дополнительно заключенные в металлический чехол 6. Чехол 6 и корпус 1 образуют полость 7. В чехол 6 также установлен дополнительный фильтрующий элемент 8, через который сообщаются полость 7 и внутренний объем чехла 6. Корпус 1 оснащен магистралью для подачи газа 4′, сообщающуюся с внутренним объемом чехла 6 через фильтрующий элемент 3, и магистралью для вывода газа 4′′, сообщающуюся с внутренним объемом чехла 6 через объем 7 и фильтрующий элемент 8. Магистрали для подачи и вывода газа 4′ и 4′′ можно использовать также для подачи и вывода газа в противоположном направлении. Снаружи корпуса 1 установлен индукционный нагреватель 5.

Устройство по фиг.1 хранения и выделения изотопов водорода работает следующим образом.

При одновременных нагреве брикета 2 из гидридообразующего металла посредством индукционного нагревателя 5 и вакуумной откачке внутреннего объема герметичного корпуса 1 через магистраль для подачи и вывода газа 4 осуществляется активация гидридообразующего металла. Затем происходит подача изотопов водорода во внутренний объем герметичного корпуса 1 к брикету 2 через магистраль для подачи и вывода газа 4, происходит сорбция изотопов водорода гидридообразующим металлом и образуется гидрид металла. При необходимости выделения изотопов водорода брикет 2 из гидрида металла нагревается посредством индукционного нагревателя 5, в результате чего происходит десорбция изотопов водорода, которые через фильтрующий элемент 3 поступают в магистраль для подачи и вывода газа 4. Далее возможно многократное повторение циклов сорбция-десорбция изотопов водорода.

Устройство по фиг.2 хранения и выделения изотопов водорода работает следующим образом.

При одновременных нагреве брикета 2 из гидридообразующего металла посредством индукционного нагревателя 5 и вакуумной откачке внутреннего объема чехла 6 через магистраль для подачи и вывода газа 4 осуществляется активация гидридообразующего металла. Причем индукционный нагреватель дополнительно нагревает и металлический чехол 6, за счет чего осуществляется более интенсивное тепловое воздействие на гидридообразующий металл, а следовательно более быстрый его разогрев. Предварительно вакуумированная полость 7 создает дополнительный барьер на пути распространения тепла от чехла 6 к герметичному корпусу 1 и служит для отбора продиффундировавших через стенки чехла 6 изотопов водорода, за счет чего уменьшаются тепловые потери, уменьшается тепловое воздействие на герметичный корпус 1, а в случае работ с тритием повышается безопасность проводимых работ.

Затем происходит подача изотопов водорода во внутренний объем чехла 6 к брикету 2 через магистраль для подачи и вывода газа 4, происходит сорбция изотопов водорода и образуется гидрид металла. При необходимости выделения изотопов водорода брикет 2 из гидрида металла нагревается посредством индукционного нагревателя 5. Причем индукционный нагреватель дополнительно нагревает и металлический чехол 6, за счет чего осуществляется более интенсивное тепловое воздействие на металлогидрид, а следовательно, более быстрый его разогрев. Происходит десорбция изотопов водорода, которые через фильтрующий элемент 3 поступают в магистраль для подачи и вывода газа 4. Далее возможно многократное повторение циклов сорбция-десорбция изотопов водорода.

Устройство по фиг.3 хранения и выделения изотопов водорода работает следующим образом.

При одновременных нагреве брикета 2 из гидридообразующего металла посредством индукционного нагревателя 5 и вакуумной откачке внутреннего объема герметичного корпуса 1 через магистраль для подачи и вывода газа 4′ или 4′′, осуществляется активация гидридообразующего металла. Причем индукционный нагреватель дополнительно нагревает и металлический чехол 6, за счет чего осуществляется более интенсивное тепловое воздействие на гидридообразующий металл, а следовательно более быстрый его разогрев. Полость 7 создает дополнительный барьер на пути распространения тепла от чехла 6 к герметичному корпусу, за счет чего уменьшаются тепловые потери и уменьшается тепловое воздействие на герметичный корпус 1. Затем происходит подача газа во внутренний объем чехла 6 через магистраль для подачи газа 4′. Газовая смесь проходит через фильтрующий элемент 3, брикет 2 из гидридообразующего металла, фильтрующий элемент 8, затем через полость 7 и выходит через магистраль для вывода газа 4′′. При этом происходит сорбция изотопов водорода, и в чехле 6 образуется гидрид металла. Подача газа возможна и в обратном направлении: через магистраль для выхода газа 4′′, при этом выход газа осуществляется через фильтрующий элемент 8, брикет из гидридообразующего металла, фильтрующий элемент 3 и магистраль для подачи газа 4′, а процесс сорбции изотопов водорода и образование гидрида металла протекают аналогично. Подобная схема позволяет осуществлять очистку изотопов водорода от примесей.

При необходимости выделения изотопов водорода гидрид металла нагревается посредством индукционного нагревателя 5. Причем индукционный нагреватель дополнительно нагревает и металлический чехол 6, за счет чего осуществляется более интенсивное тепловое воздействие на гидрид металла, а следовательно более быстрый его нагрев. Происходит десорбция изотопов водорода, которые поступают в магистраль для вывода газа 4′′, или в случае подачи газа в обратном направлении через магистраль для подачи газа 4′. Далее возможно повторение циклов сорбция-десорбция изотопов водорода.

Устройство для обеспечения предложенного способа реализовано в виде устройства для хранения и выделения водорода по п.2 формулы изобретения с герметичным корпусом, выполненным из керамики на основе оксида алюминия Al₂O₃ марки FRIALIT Р99,7 (минимальное содержание оксида 99,7%), в качестве гидридообразующего металла использовался порошок титана, а для его нагрева применялся высокочастотный нагреватель ВЧ-25А. На фиг.4 представлен график зависимости температур (t1 - корпуса устройства и t2 - гидрида титана) и давления внутри герметичного корпуса от времени в процессе десорбции изотопов водорода из гидрида титана, из которого следует что:

- максимальная температура разогрева гидрида титана t2 превышает максимальную температуру разогрева корпуса устройства t1 примерно на 500°C;

- время, необходимое на выделение требуемого количества газа (создание необходимого давления, в данном случае 400 мбар), составило порядка 1,5 минут.

В отличие от заявляемого устройства опыт проведения экспериментов с использованием термодесорбционных источников изотопов водорода на основе гидридов металлов, построенных по традиционной схеме (металлический простой или составной корпус и внешний электронагреватель сопротивления), показывает, что температура гидрида металла и корпуса источника отличаются незначительно (десятки градусов), а время необходимое для получения давления в 400 мбар составляет порядка 1 часа, причем выход на более высокое значение давления (тысячи бар) может быть связан с временными затратами, составляющими несколько часов.

Изобретение относится к области хранения и выделения изотопов водорода и может быть использовано в составе газовых установок высокого и низкого давления. Способ хранения и выделения изотопов водорода заключается в предварительной сорбции газа гидридообразующим металлом, расположенным в герметичном корпусе, и последующей десорбции газа из полученного гидрида металла. Протекание реакций сорбции и десорбции регулируют с помощью нагрева, который осуществляют индукционным нагревателем. При этом герметичный корпус выполняют из электроизолирующего материала, способного выдерживать температуру протекания реакций сорбции и десорбции. Устройство для хранения и выделения изотопов водорода содержит герметичный корпус, расположенный в нем брикет из гидридообразующего металла или его гидрида, фильтрующий элемент, магистраль для подачи и вывода газа, индукционный нагреватель, установленный снаружи корпуса. Изобретение обеспечивает более полное извлечение изотопов водорода, увеличение быстродействия процессов сорбции и десорбции, уменьшение диффузионных потерь изотопов водорода и безопасность эксплуатации устройства. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ хранения и выделения изотопов водорода, заключающийся в предварительной сорбции газа гидридообразующим металлом, расположенным в герметичном корпусе, и последующей десорбции газа из полученного гидрида металла, при этом протекание реакций сорбции и десорбции регулируют с помощью нагрева,
отличающийся тем, что нагрев гидридообразующего металла или гидрида осуществляют индукционным нагревателем, а герметичный корпус выполняют из электроизолирующего материала, способного выдерживать температуру протекания реакций сорбции и десорбции.

2. Устройство для хранения и выделения изотопов водорода, содержащее герметичный корпус, расположенный в нем брикет из гидридообразующего металла или его гидрида, фильтрующий элемент, магистраль для подачи и вывода газа, нагреватель, установленный снаружи корпуса,
отличающееся тем, что в устройстве использован индукционный нагреватель, а корпус выполнен из электроизолирующего материала, способного выдерживать температуру протекания реакций сорбции и десорбции.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что брикет из гидридообразующего металла или его гидрида заключен в металлический чехол, сообщающийся с магистралью для подачи и вывода газа и установленный в герметичном корпусе с образованием полости.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что брикет из гидридообразующего металла или его гидрида заключен в металлический чехол, сообщающийся с магистралью для подачи газа и установленный в герметичном корпусе с образованием полости, при этом внутренний объем чехла сообщен с полостью через дополнительный фильтрующий элемент, а полость соединена с магистралью для вывода газа.