Способ разделения изотопов водорода и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК B01D59/28 

ром. Парциальное давление водорода по обе стороны мембраны поддерживают одинаковым и не превьппающим 10 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 водор ода из воды, трубопроводы 8 и 9 для подачи инертного газа- носителя, трубопроводы 3 для подачи изотопов водойода из камер 2 в реакторы 1, испарители коды 7, трубопроводы А 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. 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 10⁴ 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.

Изобретение относится к способам и устройствам для разделения изотопов водорода с использованием химического изотопного обмена и мож.ет быть использовано при получении дейтерия и трития, а также при очистке 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 парциального давления водорода по обе стороны мембраны за счет реакции изотопного обмена между изотопами водорода и водяным паром, через мембрану происходит селективная диффу- зия молекул, содержащих изотопы дейтерия и трития.

На чертеже приведена технологическая схема, поясняющая работу способа и устройства для разделения изотопов водорода на двухступенчатой каскадной установке.

Способ разделения изотопов водорода включает восстановление воды исходного изотопного состава с образованием протонов водорода, контактирование образовавшихся изотопов водорода с водяным паром посредством направления потока изотопов водорода противотоком к потому водяного пара и отведение потока водяного пара,обогащенного протонами водорода.Потоки изотопов водорода и водяного пара пропускают в смеси с инертными газа5

0

5

ми-носителями вдоль различных сторон проницаемой для протонов водорода металлической мембраны из палладия или сплава палладия с -серебром. Парциальное давление водорода по обе стороны мембраны поддерживают одинаковым и не превышающим Ю Па, а контактирование изотопов водорода с водяным паром проводят при 120-300°С.

В частном , .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 последователь5 но 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 реакторы, трубопроводы 4 и 4а для подачи воды в реакторы 1 и 1а, трубопроводы 5 и 5а для отвода водяного пара из реакторов и ее пода5 чи в камеры 2 и 2а для восстановления изотопов водорода и трубопроводы 6 и 6а для отвода изотопов водорода из реакторов. Устройство также содержит испарители 7 и 7а, соединенные с

0

0

10

15

20

трубопроводами Д и 4а для подачи воды в реакторы, и трубопроводы 8,8а и 9,9а для подачи инертного газа- носителя, соединенные с трубопроводами 3,3а и 4,4а для подачи изотопов водорода и воды в реакторы. Реакторы 1 и 1а выполнены в виде камер, разде- ленньгх на две полости 10, 11 и 10а, 11а металлическими мембранами 12 и 12а у палладия или сплава палладия с серебром и отделяю цими поток изотопов водорода с инертным газом-носите- лем от потока водяного пара с инерт- ньм газом-носителем.

Устройство для разделения изотопов водорода может содержать дополнительные трубопроводы 13 и 13а с регуляторами расхода, соединяющие трубопроводы 6 и 6а для отвода изотопов водорода и трубопроводы-А и 4а для подачи воды в реакторы. Устройство может содержать окислительные камеры 14 и 14а, сообщающиеся с трубопроводами 6 и 6а для отвода изотопов водо- 25 рода из реакторов 1 и 1а, .а также трубопроводы 15 и 15а для соединения окислительных камер с трубопроводами 8 и 8а для подачи инертного газа-носителя .

Окислительные камеры 14 и 14а, так же как и реакторы 1 и 1а, могут быть разделены на две полости металическими мембранами 16 и 16а из сплава палладия или палладия с серебом и снабжены трубопроводами 17 и 17а для отвода продуктов реакции в потоке инертного газа-носителя.

В качестве окислителя в камерах 14 и 14а может быть размещен слой 18 и 18а окиси металла.

Устройство содержит накопитель 19 воды, трубопровод 20 для подачи воды в камеру 2, баллон 21 для инертного газа-носителя. Вентили 22 и 23 служат ля регулирования расхода изотопов одорода и водяного пара соответстенно, а вентиль 24 - для регулироваия расхода газа-носителя. Трубопровод 25 служит для подачи смесИ в коненсатор 26, а трубопровод 27 - для отвода воды из конденсатора 26.

Устройст во, реализующее способ для азделения изотопов водорода, работат следующим образом.

. Воду из накопителя 19 по трубопроводу 20 подают в камеру 2 для восстановления изотопов водорода из воды. алее изотопы водорода по трубопро30

35

40

45

50

55

10

15

20

25

30

35

40

45

0

5

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 газом- носителем. Водяной пар получают в испарителе 7 испарением воды, поступающей из накопителя 19 по трубопроводам 4 и 4а. Таким образом, на мембране 12 реактора 1 формируют два противоточных течения: поток изотопов водорода с газом-носителем и поток водя41ого пара с газом-носителем. Величину потока изотопов водорода и водяного пара регулируют вентилями 22 и 23, а также с помощью расхода газа- носителя вентилем 24.

В реакторе 1 из полости 10 изотопы водорода через мембрану 12 диффундируют в полость 11, где вступают в реакцию изотопного обмена с парами воды. В результате реакции часть атомов дейтерия и трития из молекул НД и НТ связываются в виде молекул НДО и НТО соответственно. Величины потоков изотопов водорода, водяного пара и газа-носителя в полостях 10 и 11, а также температуру выбирают таким образом, что парциальное давление водорода в них одинаковое и не превышает 10 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 поток водорода. Таким образом, в данном случае, мембрана, практически не являясь в обычньк 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 изотопного обмена, когда эффект разделения на каждой ступени равен константе равновесия реакции.

Рабочая температура в реакторах 1 и 1а должна поддерживаться в интервале 120-300°С. При этих температурах константы равновесия изотопного обмена для дейтерия и трития оказы- ваюч-ся достаточно большими. Например для константа равновесия обмена трития с водородом составляет К 3,6, а дейтерия с водородом К0 2,46. Температура может быть установлена с помощью соответствующего подогрева газа-носителя.

Воду, обогащенную дейтерием и тритием, в смеси с газообразными изото- пами 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- актор 1а, где цикл повторяется, а степень разделения, рассчитанная по отношению к содержанию изотопов водорода в воде исходного состава, возрастает еще больше,

В качестве для получения водяного пара в испарителях 7 и 7а может быть использована вода исходного изотопного состава. При этом степень разделения на второй (и после- дующих) ступенях каскада увеличивается.

Использование одного и того же инертного газа-носителя на всех участках технологической цепи наиболее выгодно. Для ЭТО11 цели применяются трубопроводы 9,9а, 13,1 За, 15 и 15а. В частности, для сокращения расхода газа-носителя часть газа по трубопроводам 13 и 13а может быть во вращена в цикл для смешивания с парами воды.

Газ-носитель в целях его очистки от изотопов водорода может быть по- дан в окислительные камеры 14 и 14а. Окислительные камеры по своему устройству могут быть аналогичны реакторам 1 и 1а и содержат мембрану 16 (1ба) из палладия или сплава палладия с серебром. В этом случае на вторичной стороне мембраны должен содержаться окислитель в виде окиси металла (в частности, окись меди). Изотопы водорода, диффундируя через мембраны 16 и 16а, вступают в реакцию с окисью металла с образованием воды Сюда же по трубопроводам 15 и 13а подаю 1 iiHi pTiUiii газ-носитель, а про- Q

5 0 5

О

.

5 o 5 5

дукты отводят По трубопроводам 17

и 17а.

Использованием мембран 16 и 16а

в окислительных камерах 14 и 14э 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 t 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 1 а образованы из воды, получаемо1 1 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 превьшшет константу равновесия К, определяющую степень разделения на каждой ступени при условии протекания только реакции изотопного обмена.

Формула изобретения

а контактирование изотопов водорода с иодяиым паром проводят при 120- ,.

25

него 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 вдолг мембраны.

30

35

соединенные с трубопроводами для подачи изотопов водорода и воды в реакторы, причем реакторы выполнены в виде камер, разделенных на две полости металлическими мембранами из палладия или сплава палладия с серебром и отделяюодгх поток изотопов водорода с инертным газом-носителем от потока водяного пара с инертным газом-носителем.

9.Устройство по п.8, отличающееся тем, что в окисли- те.чьных камерах размещен слой окиси металла.