<Desc/Clms Page number 1>
BESCHRIJVING behorende bij een
UITVINDINGSOCTROOIAANVRAGE ten name van "Studiecentrum voor Kernenergie","S. C. K." voor : "Elektrolyseur voor hoogactief-getritieerd water".
Uitvinders : André RAHIER
René D. W. CORNELISSEN
Aimé BRUGGEMAN
<Desc/Clms Page number 2>
De uitvinding heeft betrekking op een elektrolyseur voor hoogactief-getritieerd water, welke elektrolyseur een cel bevat die een hermetisch gesloten celhuis bezit, een anorganische poreuze gasseparator die het celhuis in twee compartimenten deelt, twee elektroden die respectievelijk in de twee compartimenten zijn gemonteerd, stroomtoevoerleidingen die op de elektroden aansluiten, twee gasafvoeren die respectievelijk op de twee compartimenten aansluiten en ten minste een vloeistoftoevoer die op de binnenkant van het celhuis uitgeeft.
Dergelijke elektrolyseurs worden gebruikt om uit het getritieerde water, dat in een deuterium-tritium fusiereactor op verschillende plaatsen en vooral bij de extractie van tritium uit het kweekmateriaal en bij de zuivering van de plasma-uitlaatgassen, wordt gevormd, tritium te recupereren als DT-gasdat opnieuw in de brandstofcyclus kan worden gebruikt.
De ontbinding van getritieerd water door elektrolytische dissociatie wordt als een van de beste werkwijzen ter recuperatie van het tritium beschouwd omdat ze toelaat de hoeveelheid vaste getritieerde afval te beperken en de permeatie van tritium bij hoge temperatuur te vermijden.
Een elektrolyseur gebruik makend van bestaande SPE (Solid Polymer Electrolyte)-cellen ontwikkeld door General Electric Company is niet geschikt voor de elektrolyse van hoogactief-getritieerd water. De levensduur zou slechts tien uur bedragen daar waar een elektrolyseur voor tritium bij voorkeur een levensduur van 104 uur bezit.
De van organisch materiaal vervaardigde gasseparator is blijkbaar niet bestand tegen de hoge straling.
Daarenboven bevindt zich bij de elektrolyse-met deze elektrolyseur een hoog gehalte aan getritieerd water in de gasleidingen.
De levensduur van de elektrolyseur wordt merkelijk verbeterd door gebruik te maken van een anorganische poreuze
<Desc/Clms Page number 3>
gasseparator zoals in de elektrolyseur van het hier gedoelde type.
In een eerste bekende elektrolyseur van deze soort, is de anorganische poreuze gasseparator van asbest vervaardigd. Deze vlakke gasseparator wordt verticaal opgesteld en bevochtigd door 6M-NaOH en continu wordt ! ? Na OH op deze separator gesproeid.
Deze elektrolyseur bezit evenwel een grote vloeistofinhoud en in het bijzonder een grote elektrolytinhoud.
De noodzaak om de gasseparator te besproeien met lM NaOH vereist een circulatie van de elektrolyt door middel van een buiten de eigenlijke elektrolysecel gemonteerde pomp.
Deze circulatie vormt een nadeel. Daarenboven ontstaat door het sproeien met elektrolyt op de gasseparator een ongewenste elektrolytmist in de zuurstofgasstroom zodat
EMI3.1
"demisters"nodig zijn om deze mist te verwijderen. Het systeem om de elektrolyt op de gasseparator te sproeien, bezit ook een beperkte duurzaamheid.
Een tweede bekende elektrolyseur met een anorganische poreuze gasseparator bezit een keramische gasseparator van gestabiliseerd Zirconium met 8 % CaO.
In deze elektrolyseur wordt geen vloeibaar elektrolyt gebruikt. Deze elektrolyseur werkt dan ook bij zeer hoge temperaturen, hetgeen een nadelige invloed heeft wat betreft de corrosie en de tritiumpermeabiliteit en een metaalverbrossing tot gevolg heeft. In het tritiumgas bevindt zich ook een zeer hoog gehalte aan getritieerd water. Deze bekende elektrolyseur bezit een geringe tritiumherwinningscapaciteit.
De uitvinding heeft tot doel deze nadelen te verhelpen en een elektrolyseur van het hogergenoemde type met een anorganische poreuze gasseparator te verschaffen, die met een kleine elektrolytinhoud kan werken, een hoge betrouwbaarheid, lange levensduur en hoge bestendigheid tegen straling bezit en weinig onderhoud vergt.
<Desc/Clms Page number 4>
Tot dit doel bezit de poreuze gasseparator een porositeit tussen 30 en 70 % en een poriëndiameter tussen 10 en 100 pm en is hij doordrenkt met vloeistof ondoordringbaar voor gassen, geeft de vloeistoftoevoer op de gasseparator uit zodat deze laatste door capillariteit met de door de vloeistoftoevoer toegevoerde vloeistof bevochtigd wordt en zijn de twee elektroden in bevochtigend contact met de gasseparator opgesteld zodat ze wanneer deze laatste bevochtigd wordt, ook bevochtigd worden.
In een bijzondere'uitvoeringsvorm van de uitvinding sluiten de elektroden elk onder tussenkomst van een poreuze foelie tegen de gasseparator aan.
In een merkwaardige uitvoeringsvorm van de uitvinding bevat de cel twee van openingen voorziene pre-elektroden die in respectievelijk de twee compartimenten aan de van de gasseparator afgekeerde zijde tegen de elektrode in het betreffende compartiment aansluiten, en staat de gasafvoer die op het betreffende compartiment aansluit in verbinding met de ruimte gecreëerd door de in dit compartiment gelegen pre-elektrode.
Een geschikte anode is een geperforeerde anode van platina of van een metaal van de platina-groep terwijl een geschikte kathode een geperforeerde kathode is bekleed met een edel metaal.
In een doelmatige uitvoeringsvorm van de uitvinding bevat de cel een metalen kader dat in het celhuis is gemonteerd en met zijn omtrek tegen de binnenomtrek van het celhuis aansluit, is de gasseparator met zijn randen aan dit kader gehecht en is de vloeistoftoevoer met ten minste een gedeelte in dit kader langs de rand van de gasseparator gelegen.
De vloeistoftoevoer vormt bij voorkeur zowel de toevoer voor vloeibaar elektrolyt als de toevoer voor het getritieerde water.
<Desc/Clms Page number 5>
In een andere bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding bevat de elektrolyseur koelmiddelen die, tegenover de elektroden, op de buitenkant van het celhuis zijn gemonteerd.
Bij de hogergenoemde bekende elektrolyseur met keramische gasseparator op basis van Zirconium zijn geen koelmiddelen aanwezig.
Bij voorkeur bevatten de koelmiddelen tegenover elke elektrode ten minste een thermo-elektrische pomp,
Bij de hogergenoemde elektrolyseurs op basis van SPE-cellen en bij de hogergenoemde elektrolyseur met asbestgasseparator geschiedt het koelen door een uitwendige circulatie van koelfluidum. Niet alleen bieden dergelijke koelmiddelen het gevaar van lekken maar ze laten geen evengoede koeling van de cel toe als kan worden verkregen door middel van thermo-elektrische pompen.
Doelmatig bezitten de koelmiddelen een dergelijke koelcapaciteit dat ze de cel tijdens de elektrolyse kunnen afkoelen tot een temperatuur gelegen tussen-5 en 200C.
Andere bijzonderheden en voordelen van de uitvinding zullen blijken uit de hier volgende beschrijving van een elektrolyseur voor hoogactief-getritieerd water, volgens de uitvinding ; deze beschrijving wordt enkel als voorbeeld gegeven en beperkt de uitvinding niet ; de verwijzingscijfers betreffen de hieraan toegevoegde tekeningen.
Figuur 1 is een verticale doorsnede van een elektrolyseur voor hoogactief-getritieerd water volgens de uitvinding.
Figuur 2 is een horizontale doorsnede van een gedeelte van de elektrolyseur uit figuur 1 maar op grotere schaal getekend.
In de twee figuren hebben dezelfde verwijzingscijfers betrekking op dezelfde elementen.
De elektrolyseur voor hoogactief-getritieerd water volgens de figuren bevat een cel die begrensd is door een
<Desc/Clms Page number 6>
hermetisch gesloten metalen celhuis 1-4.
Het celhuis 1-4 bestaat uit twee langse opstaande zijwanden 1, twee dwarse opstaande zijwanden 2, een bovenste deksel 3 en een onderste deksel 4.
De twee langse opstaande zijwanden 1 verwijderen zich van elkaar op een kleine afstand van de bovenkant.
Boven en onder deze plaats strekken de opstaande zijwanden 1 zich evenwijdig aan elkaar uit. De bovenste en onderste randen van de zijwanden 1 zijn naar buiten omgeplooid en deze randen bezitten zulkdanige breedte dat de totale breedte in de dwarsrichting van het celhuis 1-4 bovenaan en onderaan dezelfde is. De twee dwarse opstaande zijwanden bezitten over gans hun hoogte de hogergenoemde breedte en zijn aan de randen n de zijwanden 1 gelast. De deksels 3 en 4 zijn respectievelijk onderaan en bovenaan tegen de omgeplooide randen van de langse opstaande zijwanden 1 en tegen de bovenste en onderste randen van de dwarse opstaande zijwanden 2 gelast.
Een verticale vlakke, anorganische poreuze gasseparator 5 die zich in de langsrichting uitstrekt en die met zijn omtrek gevat is in een metalen kader 6, deelt het celhuis 1-4 in twee compartimenten 7 en 8. Het kader 6 is met zijn buitenomtrek tegen de binnenwand van de zijwanden 2 en de deksels 3 en 4 bevestigd en bestaat om constructieve redenen uit twee
EMI6.1
deelkaders 6'en 6"die aan elkaar bevestigd zijn.
Het aan elkaar bevestigen van de deelkaders 6'en en het bevestigen van deze deelkaders aan het celhuis 1-4 geschiedt bij voorkeur door lassen.
De anorganische gasseparator 5 wordt aan het kader 6 vastgehecht, bij voorbeeld door kleven.
De gasseparator 5 bezit een porositeit van 30 tot 70 % en een poriëndiameter van 10 tot 100 pm. Indien de gasseparator bevochtigd is met vloeistof, is hij ondoorlaatbaar voor gassen.
<Desc/Clms Page number 7>
De gasseparator kan van verschillende anorganische materialen worden vervaardigd maar de voorkeur wordt gegeven aan gefritteerd kwartsglas (vitreus silica) of poreuze keramische materialen zoals Al o--ZrO-.
In het op het onderste deksel 4 vastgemaakte gedeelte van het kader 6 is juist langs de onderste rand van de gasseparator 5 een vloeistofkanaal 9 uitgespaard.
Ook in het aan het bovenste deksel 3 bevestigde gedeelte van het kader 6 is, langs de bovenste rand van de gasseparator 5 een vloeistoftoevoerkanaal 10 uitgespaard.
De twee kanalen 9 en 10 geven elk met één einde uit op een toevoerleiding 11. Deze toevoerleidingen 11 strekken zich doorheen een dwarse opstaande zijwand 2 tot buiten het celhuis 1-4 uit.
In het compartiment 7 is een vlakke anode 12 onder tussenkomst van een foelie 14 tegen de vlakke gasseparator 5 aangebracht.
Op analoge manier is in het compartiment 8 een vlakke kathode 13 onder tussenkomst van een foelie 14 tegen de vlakke gasseparator 5 aangebracht.
De anode is een geperforeerde platina-anode en de kathode is een geperforeerde vergulde kathode die bij voorbeeld van verguld nikkel is vervaardigd. Wanneer met een alkalisch elektrolyt wordt gewerkt kan het vergulden eventueel achterwege worden gelaten.
De poreuze foelie 14 is van metaal of keramisch materiaal vervaardigd en zorgt voor een egale contactoppervlakte tussen de elektroden 12 en 13 en de gasseparator 5 en voor de nodige flexibiliteit tussen deze elementen.
Wanneer de gasseparator 5 wordt bevochtigd, worden onder tussenkomst van de foelies 14 ook de twee elektroden 12 en 13 bevochtigd.
De noodzakelijke ruimten voor het afvoeren van het gas dat. tijdens de elektrolyse ter plaatse van de elektroden 12 en 13 wordt gevormd, worden gevormd door pre-elektroden 15 van geëxpandeerd metaal of gevormd door zogenoemde
<Desc/Clms Page number 8>
"studs", welke pre-elektroden tegen de van de gasseparator 5 afgekeerde zijde van de anode 12, respectievelijk van de kathode 13 zijn aangebracht.
In elk van de compartimenten 7 en 8 is aan de van de gasseparator 5 afgekeerde zijde van de pre-elektrode 15 een metalen plaat 16 aangebracht om de warmte die tijdens de elektrolyse ontstaat te verspreiden.
Tussen elke vlakke metalen plaat 16 en de ertegenover gelegen langse opstaande zijwand 2 is een keramische elektrisch isolerende plaat 17 aangebracht.
Het hiervoor beschreven geheel gevormd door de gasseparator 5, de elektroden 12 en 13, de foelies 14, de pre-elektroden 15, de metalen platen 16 en de isolatorplaten 17 zit geklemd tussen de twee langse opstaande zijwanden 1 van het celhuis 1-4. Met uitzondering van de gasseparator 5 reiken al de elementen van dit geheel tot op een afstand van het metalen kader 6.
Op deze manier kunnen de gassen uit de pre-elektroden 15 ontsnappen in de compartimenten 7 en 8. Uit elk van deze compartimenten 7 en 8 worden de gassen afgevoerd door een gasafvoerleiding 18 die bevestigd is aan een op het bovenste deksel 3 gemonteerde en op het desbetreffende compartiment uitgevende doorgang 19.
Voor en achter deze twee gasafvoerleidingen 18 strekken zich vier stroomtoevoerleidingen 20 uit (twee voor en twee achter de gasafvoerleidingen). Twee ervan zijn aan de anode 12 en twee ervan zijn aan de kathode 13 vastgemaakt.
Op de buitenzijde van de zijwanden 1 van het celhuis 1-4 zijn tegenover de anode 12 respectievelijk de kathode 13 een aantal thermo-elektrische warmtepompen 21 geplaatst.
Deze thermo-elektrische warmtepompen zijn van een op zichzelf bekende constructie en zijn met het oog op andere toepassingen dan in elektrolyseurs in de handel.
Het aantal warmtepompen 21 wordt zo gekozen dat de temperatuur in het celhuis 1-4 tijdens de elektrolyse tussen-5 en 20 en bij voorkeur tussen 00 en 50 kan worden
<Desc/Clms Page number 9>
gehouden. Deze lage elektrolysetemperatuur vermindert de corrosie, vermindert de tritiumpermeabiliteit en verlaagt de partiële druk van getritieerd water in de gassen.
Rond dit celhuis 1-4 en de erop gemonteerde warmtepompen 21 is een hermetisch gesloten metalen buitenbehuizing 22 aangebracht. De verschillende delen van deze behuizing 22 zijn aan elkaar gelast. Deze buitenbehuizing 2 doet dienst als tweede afscherming en vormt de steun voor de thermo-elektrische warmtepompen 21. De langse opstaande zijwanden van de buitenbehuizing 22 springen daarom tegenover de warmtepompen 21 in.
Uiteraard is de buitenbehuizing 22 van openingen
EMI9.1
voorzien voor de doorgang van de twee vloeistoftoevoerleidingen ll, van de twee gasafvoerleidingen 18 en van de vier elektrische stroomtoevoerleidingen 20. Deze openingen zijn rond deze leidingen afgedicht. De leidingen 11 zijn bij voorbeeld van metaal en ter plaatse van de openingen afgedicht doordat ze aan de buitenbehuizing 22 zijn gelast.
De elektrolyt wordt voor de elektrolyse in het onderste. vloeistofkanaal 9 aangebracht. Deze elektrolyt verdeelt zich door capillariteit in de gasseparator 5.
Zowel een zuur als een basisch elektrolyt kan worden gebruikt.
Als zuur elektrolyt kan gebruik gemaakt worden van 30-60 gew. % zwavelzuur.
In dit geval is de gasseparator 5 bij voorkeur van gefritteerd kwartsglas en-zijn de hogergenoemde metalen delen zoals onder meer het celhuis 1-4 van Incoloy 825 of 20 Alloy.
Als basisch elektrolyt kan 5-45 gew. % kaliumhydroxide worden gebruikt.
In dit geval is de gasseparator 5 bij voorkeur van keramisch materiaal en zijn de metalen delen zoals het celhuis 1-4 bij voorbeeld van roestvast staal 316.
Zoals reeds vermeld kan de anode van zuiver nikkel zijn dat niet moet bekleed worden met een edel metaal-deklaag.
<Desc/Clms Page number 10>
Een uitwendige circulatie van de elektrolyt is niet noodzakelijk daar er noch anolyt noch katholyt is.
De elektrolyseur bevat een zeer lage elektrolytinhoud, namelijk slechts 10 ml.
Het te elektrolyseren getritieerde water wordt via een van de vloeistoftoevoerkanalen 9 of 10 toegevoerd.
Voor de vakman voor de hand liggende middelen zijn voorzien om de watertoevoer afwisselend via het onderste kanaal 9 en het bovenste kanaal 10 te laten geschieden en bij voorkeur viermaal langer via het onderste kanaal 9 dan via het bovenste kanaal 10. Het in een van de kanalen 9 of 10 toegevoerde water verspreidt zich door capillariteit over de gasseparator 5.
Het afwisselend onderaan en bovenaan toevoeren van het water is noodzakelijk om concentratieverschillen die inde gasseparator 5 ontstaan, te elimineren.
Tijdens de elektrolyse wordt via de stroomtoevoerleidingen 20 een stroom aan de elektroden 12 en 13 toege-
EMI10.1
voerd zodat de stroomdensiteit van de elektroden gelegen is - 2 tussen 5 en 40 A dm wat toelaat 32 tot 250 normale liter tritium per dag te produceren.
De elektrolyseur heeft een lage vloeistofinhoud aangezien alleen vloeistof aanwezig is in de gasseparator 5 en in de toevoerkanalen 9 en 10.
De elektrolyseur bevat geen mechanische dichtingen zodat hij volkomen lekvrij is. Daarenboven is de actieve zone van de elektrolyseur door twee behuizingen omringd, namelijk het celhuis 1-4 en de buitenbehuizing 22.
Al de gebruikte materialen zijn bestand tegen chemische of elektrochemische invloeden en stralingsinvloeden zodat de elektrolyseur een zeer grote levensduur bezit.
Er vindt geen uitwendige circulatie of terugvoer plaats van radio-actieve fluida. De enige radio-actieve fluida die in of uit de elektrolyseur stromen zijn het getritieerde water en de gassen T2 en 02.
<Desc/Clms Page number 11>
De elektrolyse vindt plaats bij lage temperatuur waardoor de dampspanning van getritieerd water in de geproduceerde gassen wordt verminderd, de corrosie wordt verminderd, de tritiumpermeabiliteit afneemt en metaalverbrossing uitgesloten wordt.
De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven uitvoeringsvorm, en binnen het raam van de octrooiaanvrage kunnen aan de beschreven uitvoeringsvorm vele veranderingen worden aangebracht, onder meer wat betreft de vorm, de samenstelling, de schikking en het aantal van de onderdelen die voor het verwezenlijken van de uitvinding worden gebruikt.
In het bijzonder moet het celhuis of de buitenbehuizing niet noodzakelijk van metaal vervaardigd zijn.
Het celhuis of de buitenbehuizing kan bij voorbeeld ook van keramisch materiaal vervaardigd zijn.
De gasseparator moet niet noodzakelijk van de beschreven materialen vervaardigd zijn. Hij kan ook van andere anorganische materialen vervaardigd zijn in zoverre de opgegeven porositeit wordt verkregen en deze materialen voldoende bestand zijn tegen de radio-actieve straling en de gebruikte elektrolyt.