CZ2021226A3

CZ2021226A3 - Equipment for producing tritium-containing products

Info

Publication number: CZ2021226A3
Application number: CZ2021226A
Authority: CZ
Inventors: Michal Cihlář; Michal Ing Cihlář; Václav Dostál; Václav doc. Ing Dostál; Jan Prehradný; Jan Ing Prehradný; SlavomĂr Entler; Slavomír Ing Entler
Original assignee: ÄŚeskĂ© vysokĂ© uÄŤenĂ technickĂ© v Praze; České vysoké učení technické v Praze
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2022-06-15
Also published as: CZ309244B6

Abstract

Zařízení pro výrobu produktů s obsahem tritia obsahuje systém (1) pro urychlování částic a spalační cíl (2), přičemž výstup částicového urychlovače (1) je orientován směrem ke spalačnímu cíli (2). Dále obsahuje lithiovou produkční komoru (3), která zahrnuje první nádrž (3.1) a v ní umístěnou náplň první nádrže (3.1) obsahující tekuté lithium (3.2). Spalační cíl (2) zahrnuje druhou nádrž (2.1) a v ní umístěnou spalační náplň (2.2), která je tekutá. V první nádrži (3.1) je vytvořena dutina, v níž je umístěna alespoň část druhé nádrže (2.1). Zařízení zahrnuje také jednotku pro separaci produktů s obsahem tritia z náplně první nádrže (3.1).The device for the production of tritium-containing products comprises a system (1) for accelerating particles and a combustion target (2), the output of the particle accelerator (1) being oriented towards the combustion target (2). It further comprises a lithium production chamber (3), which comprises a first tank (3.1) and a filling of the first tank (3.1) containing liquid lithium (3.2) placed therein. The combustion target (2) comprises a second tank (2.1) and a combustion charge (2.2) located therein, which is liquid. A cavity is formed in the first tank (3.1) in which at least a part of the second tank (2.1) is located. The apparatus also includes a unit for separating tritium-containing products from the contents of the first tank (3.1).

Description

Zařízení pro výrobu produktů s obsahem tritiaEquipment for the production of products containing tritium

Oblast technikyField of technology

Vynález se týká zařízení pro výrobu tritia a/nebo jeho sloučenin, které využívá částicového urychlovače, tekuté spalační náplně a tvorby tritia reakcí neutronů a tekutého lithia.The invention relates to a device for the production of tritium and/or its compounds, which uses a particle accelerator, a liquid spallation charge and the formation of tritium by reactions of neutrons and liquid lithium.

Dosavadní stav technikyCurrent state of the art

Dosud používané způsoby produkce tritia jsou velice omezené. Tyto způsoby jsou založené na využití jaderných reaktorů, a tudíž výrobou tritia vzniká relativně velké množství jaderného odpadu. Tyto dosud používané způsoby využívají tlakovodní jaderné reaktory k ozařování tyčí z lithia nebo jaderných reaktorů CANDU odkud separují tritium z těžké vody.Tritium production methods used so far are very limited. These methods are based on the use of nuclear reactors, and thus the production of tritium creates a relatively large amount of nuclear waste. These methods used so far use pressurized water nuclear reactors to irradiate lithium rods or CANDU nuclear reactors from which they separate tritium from heavy water.

Jsou známy návrhy na využití urychlovačů a pevných spalačních terčů. Pojmy spalační terč a spalační cíl jsou v celém tomto textu používány jako synonyma. Tyto návrhy však obsahují mnoho problémů jako např. chlazení terčů, jejich stabilitu a nemožnost kontinuální separace produktu.Proposals for the use of accelerators and solid combustion targets are known. The terms spallation target and spallation target are used interchangeably throughout this text. However, these designs contain many problems such as cooling of the targets, their stability and the impossibility of continuous product separation.

V dokumentu US 5768329 A je popsáno uspořádání, v němž je využit urychlovač a jako spalační cíl slouží roztavená slitina LiPb, která je současně i zdrojem tritia. Použití jednoho objemu pro spalační reakce a tvorbu tritia zároveň je velice neefektivní, produkce tritia je nízká, jak je vidět z obr. 5. Rovněž proces separace tritia je v tomto provedení komplikovaný, neboť separace je negativně ovlivněna přítomností spalačních trosek, které se nacházejí ve společném prostoru spalačního cíle a oblasti tvorby tritia.Document US 5768329 A describes an arrangement in which an accelerator is used and a molten LiPb alloy, which is also a source of tritium, serves as the spallation target. The use of one volume for spallation reactions and tritium formation at the same time is very inefficient, the production of tritium is low, as can be seen from Fig. 5. Also, the tritium separation process is complicated in this embodiment, as the separation is negatively affected by the presence of spallation debris, which is in the common space of the spallation target and the area of tritium formation.

Z dokumentu US 5160696 A je známo řešení, které využívá urychlovač, tekutý spalační cíl, jaderné palivo a obal z roztavených lithiových solí. Popisované řešení staví na využití jaderného paliva v podobě „uranu-235, plutonia-239, vyšších aktinidů, thoria-232, uranu-238 nebo jejich kombinaci“. Z důvodu použití jaderného pálívaje systém 1) složitý, 2) spojený s radiačními riziky, 3) spojený s nebezpečím v případě poruch, 4) spojený s byrokratickou zátěží, a 5) při jeho použití vzniká jaderný odpad. V řešení podle US 5160696 A je také nutné použít separátní moderátor neutronů, což dále zvyšuje komplexnost systému. S ohledem na použití roztavení lithiových solí jsou potřebné vysoké provozní teploty (teplota tání soli LiF-NaF-BeF2 je 315 °C, soli LiF-NaF-KF 454 °C a soli LiF-BeF2 459 °C).From document US 5160696 A, a solution is known that uses an accelerator, a liquid combustion target, nuclear fuel and a casing made of molten lithium salts. The described solution relies on the use of nuclear fuel in the form of "uranium-235, plutonium-239, higher actinides, thorium-232, uranium-238 or their combination". Due to the use of nuclear fuel, the system is 1) complex, 2) associated with radiation risks, 3) associated with danger in the event of malfunctions, 4) associated with bureaucratic burdens, and 5) nuclear waste is generated during its use. In the solution according to US 5160696 A, it is also necessary to use a separate neutron moderator, which further increases the complexity of the system. Considering the use of melting lithium salts, high operating temperatures are required (melting temperature of LiF-NaF-BeF2 salt is 315 °C, LiF-NaF-KF salt 454 °C and LiF-BeF2 salt 459 °C).

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Výše uvedené nevýhody odstraňuje zařízení pro výrobu produktů s obsahem tritia podle předkládaného vynálezu, který zahrnuje kombinaci systému pro urychlování částic, tekutého spalačního cíle a od něj oddělené lithiové produkční komory obsahující tekuté lithium, která spalační cíl alespoň částečně obklopuje. Velkou výhodou je, že toto řešení nevyžaduje použití jaderných reaktorů. Produkce tritia je relativně účinná, vznik jaderného odpadu je minimalizován, fungování je možné při nízkých provozních teplotách a separace vyrobeného produktu nebo produktů s obsahem tritia z lithiové produkční komory je jednoduchá s možností výběru mezi plynnou a tuhou formou výsledného produktu.The above-mentioned disadvantages are eliminated by the device for the production of tritium-containing products according to the present invention, which includes a combination of a system for accelerating particles, a liquid spallation target and a separate lithium production chamber containing liquid lithium, which at least partially surrounds the spallation target. A big advantage is that this solution does not require the use of nuclear reactors. Tritium production is relatively efficient, the generation of nuclear waste is minimized, operation is possible at low operating temperatures, and the separation of the produced product or products containing tritium from the lithium production chamber is simple, with the option of choosing between gaseous and solid forms of the resulting product.

Zařízení pro výrobu produktů s obsahem tritia obsahuje systém pro urychlování částic a spalační cíl, přičemž výstup systému pro urychlování částic je orientován směrem ke spalačnímu cíli. Podstatou zařízení je, že dále obsahuje lithiovou produkční komoru, která zahrnuje první nádrž a v ní umístěnou náplň první nádrže obsahující tekuté lithium, a že spalační cíl zahrnuje druhou nádrž a v ní umístěnou spalační náplň, která je rovněž tekutá. V první nádrži je přitom vytvořenaThe device for the production of products containing tritium includes a particle acceleration system and a spallation target, the output of the particle acceleration system being oriented towards the spallation target. The essence of the device is that it further comprises a lithium production chamber, which includes a first tank and a filling of the first tank containing liquid lithium, and that the combustion target includes a second tank and a combustion filling located therein, which is also liquid. It is created in the first tank

- 1 CZ 2021 - 226 A3 dutina, v níž je umístěna alespoň část druhé nádrže. Zařízení zahrnuje také jednotku pro separaci produktů s obsahem tritia z náplně první nádrže.- 1 CZ 2021 - 226 A3 cavity in which at least part of the second tank is located. The equipment also includes a unit for the separation of products containing tritium from the filling of the first tank.

Je výhodné, je-li celá druhá nádrž umístěna v dutině vytvořené v první nádrži.It is advantageous if the entire second tank is located in the cavity created in the first tank.

Je výhodné, když má druhá nádrž alespoň shora otvor a když je výstup systému pro urychlování částic orientován směrem k tomuto otvoru.It is advantageous if the second tank has an opening at least at the top and if the output of the particle acceleration system is oriented towards this opening.

Spalační náplní je s výhodou eutektická slitina olova a bismutu.The sintering filling is preferably a eutectic alloy of lead and bismuth.

Je výhodné, když je systém pro urychlování částic protonový.It is preferred that the particle acceleration system is protonic.

Ve výhodném provedení je první nádrž opatřena systémem pro udržení provozní teploty tekutého lithia i spalační náplně.In an advantageous embodiment, the first tank is provided with a system for maintaining the operating temperature of the liquid lithium and the spallation filling.

Systém pro udržení provozní teploty tekutého lithia i spalační náplně může obsahovat tepelný zdroj a/nebo chladič.A system for maintaining the operating temperature of both the liquid lithium and the combustion charge may include a heat source and/or a cooler.

Je výhodné, když první nádrž a druhá nádrž mají alespoň jednu společnou stěnu, případně když je alespoň jedna stěna první nádrže v kontaktu s alespoň jednou stěnou druhé nádrže.It is advantageous if the first tank and the second tank have at least one common wall, or if at least one wall of the first tank is in contact with at least one wall of the second tank.

Ve výhodném provedení jednotka pro separaci produktů s obsahem tritia z náplně první nádrže obsahuje modul pro jímání plynného tritia.In an advantageous embodiment, the unit for separating products containing tritium from the filling of the first tank contains a module for collecting gaseous tritium.

Jednotka pro separaci produktů s obsahem tritia z náplně první nádrže může obsahovat také modul pro extrakci pevného tritidu lithného.The unit for the separation of products containing tritium from the filling of the first tank may also contain a module for the extraction of solid lithium tritide.

Další výhody budou patrné z příkladů uskutečnění vynálezu.Further advantages will be apparent from examples of the implementation of the invention.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Vynález bude lépe osvětlen pomocí výkresů, kde:The invention will be better elucidated by means of the drawings, wherein:

na obr. 1 je 3D pohled na jedno příkladné provedení zařízení včetně vyznačení roviny řezu znázorněného na obr. 2 a 3;Fig. 1 is a 3D view of one exemplary embodiment of the device including the marking of the sectional plane shown in Figs. 2 and 3;

na obr. 2 je řez A-A stejným provedením jako v obr. 1;in Fig. 2 is a section A-A of the same embodiment as in Fig. 1;

na obr. 3 je detail C řezu A-A spalačního cíle stejného provedení jako v obr. 1;in Fig. 3 is a detail C of the section A-A of the spallation target of the same design as in Fig. 1;

na obr. 4 je 3D pohled na stejné provedení jako v obr. 1, kde je ukázán také vnitřek zařízení. Výřez v přední části provedený pomocí dvou navzájem kolmých rovin protínajících osu zařízení je pouze virtuální a je zde jen pro umožnění pohledu dovnitř; a obr. 5 zobrazuje příklad grafů závislosti počtu vyprodukovaných atomů tritia na 100 000 urychlených protonů v závislosti na urychlovací energii protonů. Je uvedena produkce tritia podle US 5768329 A ve srovnání s produkcí tritia podle předkládaného vynálezu při stejné geometrii zařízení.Fig. 4 is a 3D view of the same embodiment as Fig. 1, where the interior of the device is also shown. The cut-out in the front part made by means of two mutually perpendicular planes intersecting the axis of the device is only virtual and is there only to allow a view inside; and Fig. 5 shows an example of graphs of the dependence of the number of produced tritium atoms per 100,000 accelerated protons as a function of the proton acceleration energy. Tritium production according to US 5768329 A compared to tritium production according to the present invention with the same device geometry is shown.

Příklady uskutečnění vynálezuExamples of implementation of the invention

Níže podrobně popsané výhodné provedení ilustrované pomocí obr. 1 až obr. 4 ukazuje pouze jedno z mnoha možných řešení, která spadají do ochrany tohoto vynálezu a vysvětlujíThe preferred embodiment described in detail below, illustrated by means of Figures 1 to 4, shows only one of many possible solutions which fall within the protection of the present invention and explain

-2CZ 2021 - 226 A3 vynálezeckou myšlenku na konkrétním příkladu. Jde tedy pouze o vybrané příkladné uspořádání, které nijak neomezuje rozsah ochrany tímto vynálezem.-2CZ 2021 - 226 A3 inventive idea on a concrete example. It is therefore only a selected exemplary arrangement, which in no way limits the scope of protection by this invention.

V obr. 1, obr. 2 a obr. 4 je vidět, že zařízení pro výrobu produktů s obsahem tritia obsahuje systém 1 pro urychlování částic a spalační cíl 2. Výstup systému 1 pro urychlování částic je orientován směrem ke spalačnímu cíli 2, díky čemuž urychlené částice dopadají na tento spalační cíl 2. Zařízení dále obsahuje lithiovou produkční komoru 3, která zahrnuje první nádrž 3,1 a vní umístěnou náplň první nádrže 3,1 obsahující tekuté lithium 32. Spalační cíl 2 zahrnuje druhou nádrž 2,1 a v ní umístěnou spalační náplň 2,2. která je rovněž tekutá. V první nádrži 3,1 je přitom vytvořena dutina, v níž je umístěna alespoň část druhé nádrže 2,1. Nej výhodnější přitom je, když jev této dutině místěna celá druhá nádrž 2,1. Zařízení zahrnuje také jednotku pro separaci produktů s obsahem tritia z náplně první nádrže 3,1. Toto uspořádání s tekutým lithiem 3.2 a tekutou spalační náplní 22 je nové a přináší mnoho výhod.In Fig. 1, Fig. 2 and Fig. 4, it can be seen that the equipment for the production of tritium-containing products includes a particle acceleration system 1 and a spallation target 2. The output of the particle acceleration system 1 is oriented towards the spallation target 2, due to which the accelerated particles fall on this combustion target 2. The device further comprises a lithium production chamber 3, which includes a first tank 3.1 and a filling of the first tank 3.1 containing liquid lithium 32 placed therein. The combustion target 2 includes a second tank 2.1 and in it placed spallation filling 2.2. which is also liquid. A cavity is created in the first tank 3.1, in which at least part of the second tank 2.1 is located. It is most advantageous when the entire second tank 2.1 is placed in this cavity. The equipment also includes a unit for the separation of products containing tritium from the filling of the first tank 3.1. This arrangement with liquid lithium 3.2 and liquid spallation charge 22 is new and brings many advantages.

Princip zařízení je následující.The principle of the device is as follows.

Ve spalačním cíli 2 dochází ke spalační interakci mezi urychlenými částicemi ze systému 1 pro urychlování částic a jádry materiálu obsaženého ve spalační náplni 22. typicky jde o jádra olova abismutu, případně jiného zvoleného prvku ve spalační náplni 22. Výsledkem těchto interakcí jsou spalační neutrony. Kolem spalačního cíle 2 tvořeného spalační náplní 22 v druhé nádrži 2,1 je umístěna první nádrž 3,1 s tekutým lithiem 32. V tekutém lithiu 32 dochází k interakci spalačních neutronů s jádry lithia za produkce tritia a/nebo jeho sloučenin. Při provozu systému 1 pro urychlování částic tedy náplň první nádrže 3,1 obsahuje směs lithia a produktů s obsahem tritia. Toto tritium a/nebo jeho sloučeniny je následně separováno a připraveno pro využití.In the spallation target 2, a spallation interaction takes place between the accelerated particles from the particle acceleration system 1 and the cores of the material contained in the spallation charge 22. These are typically the cores of lead, bismuth, or another selected element in the spallation charge 22. The result of these interactions are spallation neutrons. The first tank 3.1 with liquid lithium 32 is placed around the spallation target 2 formed by the spallation charge 22 in the second tank 2.1. In the liquid lithium 32, spallation neutrons interact with lithium nuclei to produce tritium and/or its compounds. Thus, during operation of the particle accelerator system 1, the filling of the first tank 3.1 contains a mixture of lithium and tritium-containing products. This tritium and/or its compounds are subsequently separated and prepared for use.

Výsledné produkty s obsahem tritia mohou zahrnovat jak čisté tritium, typicky v plynné formě, tak například pevný tritid lithný LiT. Je možné vyrábět také oba uvedené produkty současně. Jednotka pro separaci produktů s obsahem tritia z náplně první nádrže 3,1 proto s výhodou obsahuje modul pro jímání plynného tritia. Jednotka pro separaci produktů s obsahem tritia z náplně první nádrže 3,1 může obsahovat také modul pro extrakci pevného tritidu lithného. Případně mohou být v jednotce pro separaci produktů s obsahem lithia z náplně první nádrže 3,1 obsaženy oba tyto moduly.The resulting products containing tritium can include both pure tritium, typically in gaseous form, and solid lithium tritide LiT, for example. It is also possible to produce both mentioned products at the same time. The unit for separating tritium-containing products from the filling of the first tank 3.1 therefore preferably contains a module for capturing gaseous tritium. The unit for the separation of products containing tritium from the filling of the first tank 3.1 may also contain a module for the extraction of solid lithium tritide. Alternatively, both of these modules can be contained in the unit for separating lithium-containing products from the filling of the first tank 3.1.

V obr. 1 až 4 je znázorněno výhodné uspořádání, kde jsou nádrže 3,1 a 2,1 souosé, přičemž druhá nádrž 2,1 je válcovitá a první nádrž 3,1 má válcovité vnější i vnitřní stěny, přičemž uvnitř vnitřních stěn je otvor pro druhou nádrž 2,1. Výhodné je, když první nádrž 3,1 a druhá nádrž 2,1 mají alespoň jednu společnou stěnu, v případě válcovitého provedení se jedná o válcovitou stěnu druhé nádrže 2,1, která současně slouží jako vnitřní stěna první nádrže 3,1. V provedeních, která jsou zakreslena na obr. 2 až 4, je jiné výhodné provedení, kdy má sice každá z nádrží 2,1 a 3,1 vlastní stěny a žádná stěna není sdílená, ale vnější obvodová stěna druhé nádrže 2.1 je v kontaktu se stěnou dutiny vytvořené v první nádrži 3,1. Obecně je výhodné, když je alespoň jedna stěna první nádrže 3,1 v kontaktu s alespoň jednou stěnou druhé nádrže 2,1. Mezi nádržemi 3,1 a 2,1 může být ale i mezera.Figures 1 to 4 show a preferred arrangement where tanks 3.1 and 2.1 are co-axial, the second tank 2.1 being cylindrical and the first tank 3.1 having cylindrical outer and inner walls, with an opening inside the inner walls for the second tank 2.1. It is advantageous if the first tank 3.1 and the second tank 2.1 have at least one common wall, in the case of a cylindrical design, it is a cylindrical wall of the second tank 2.1, which simultaneously serves as the inner wall of the first tank 3.1. In the embodiments that are drawn in Fig. 2 to 4, there is another advantageous embodiment where each of the tanks 2.1 and 3.1 has its own walls and no wall is shared, but the outer peripheral wall of the second tank 2.1 is in contact with by the wall of the cavity created in the first tank 3.1. In general, it is advantageous if at least one wall of the first tank 3.1 is in contact with at least one wall of the second tank 2.1. But there can also be a gap between the 3.1 and 2.1 tanks.

Nádrže 3,1 a 2,1 nemusejí být nutně válcové. Mohou být obecněji sestaveny třeba tak, že dutina v první nádrži 3,1 je tvarově přizpůsobena vnějšímu tvaru druhé nádrže 2,1. tzn. je-li např. druhá nádrž 2,1 ve tvaru kvádru, první nádrž 3,1 má v sobě dutinu s tomuto kvádru přizpůsobenými stěnami, případně jsou přímo stěny kvádru druhé nádrže 2,1 současně vnitřními stěnami první nádrže 3,1.Tanks 3.1 and 2.1 do not necessarily have to be cylindrical. They can be more generally assembled, for example, in such a way that the cavity in the first tank 3.1 is adapted in shape to the outer shape of the second tank 2.1. i.e. if, for example, the second tank 2.1 is in the shape of a cuboid, the first tank 3.1 has a cavity in it with walls adapted to this cuboid, or the walls of the cuboid of the second tank 2.1 are simultaneously the inner walls of the first tank 3.1.

Půdorys nádrží 2,1, 3,1 může být libovolný, může obsahovat čtverce, trojúhelníky apod., ale z hlediska symetrie a optimalizace výroby produktů s obsahem tritia je nejlepší kruhový půdorys tak, jak je uvedeno v přiložených výkresech.The floor plan of the tanks 2,1, 3,1 can be arbitrary, it can contain squares, triangles, etc., but from the point of view of symmetry and optimization of the production of products containing tritium, the best circular plan is as shown in the attached drawings.

CZ 2021 - 226 A3CZ 2021 - 226 A3

Vhodné je zajistit co největší objem první nádrže 3,1 i tekutého lithia 3,2 v této první nádrži 3,1. Čím větší jsou tyto objemy, tím větší je vyrobené množství produktů s obsahem tritia. Ideální je, když je celá druhá nádrž 2,1 umístěna v dutině vytvořené v první nádrži 3,1. Dále je velice výhodné, když první nádrž 3,1 s tekutým lithiem nahoře i dole výrazně přesahuje druhou nádrž 2,1 se spalační náplní 22. V jednom výhodném provedení je druhá nádrž 2,1 se spalační náplní 22 umístěna vůči první nádrži 3,1 co nej centrálněji, tedy tak, že první nádrž 2,1 obklopuje těžiště první nádrže 3,1. Nej optimálněji se těžiště obou nádrží 2,1 a 3,1 překrývají.It is suitable to ensure the largest possible volume of the first tank 3.1 and liquid lithium 3.2 in this first tank 3.1. The larger these volumes are, the larger the amount of products containing tritium is produced. Ideally, the entire second tank 2.1 is located in the cavity created in the first tank 3.1. Furthermore, it is very advantageous if the first tank 3.1 with liquid lithium at the top and bottom significantly exceeds the second tank 2.1 with the spallation filling 22. In one advantageous embodiment, the second tank 2.1 with the spallation filling 22 is located opposite the first tank 3.1 as centrally as possible, i.e. so that the first tank 2.1 surrounds the center of gravity of the first tank 3.1. Most optimally, the centers of gravity of the two tanks 2.1 and 3.1 overlap.

Výhodné je také provedení, v němž je oproti tomu znázorněnému na výkresech druhá nádrž 2,1 obklopena první nádrží 3,1 nejen ze stran, ale i zdola tak, že pod dnem druhé nádrže 2,1 je dno první nádrže 3,1. nad nímž je vrstva tekutého lithia 32. V tom případě se spodní část první nádrže 32 opatří průchodkami pro vstupní potrubí 6 a výstupní potrubí 7 tekuté spalační náplně 22,An embodiment in which, in contrast to the one shown in the drawings, the second tank 2.1 is surrounded by the first tank 3.1 not only from the sides, but also from below, so that the bottom of the first tank 3.1 is under the bottom of the second tank 2.1. above which there is a layer of liquid lithium 32. In that case, the lower part of the first tank 32 is provided with grommets for the inlet pipe 6 and the outlet pipe 7 of the liquid spallation charge 22,

První nádrž 32 je v nej výhodnějším provedení zcela napuštěna náplní první nádrže 32 s obsahem tekutého lithia 32. Toho lze dosáhnout kontinuální cirkulací tekutého lithia 32 mezi jednotkou pro separaci produktů s obsahem tritia z náplně první nádrže 3,1 a první nádrží 3,1. První nádrž 3.1 je typicky uzavřená a problémy s tlaky, roztažností apod. jsou vyřešeny díky napojení na pomocné systémy, které se o regulaci tlaku atd. postarají.In the most advantageous embodiment, the first tank 32 is completely filled with the filling of the first tank 32 containing liquid lithium 32. This can be achieved by continuous circulation of liquid lithium 32 between the unit for separating products containing tritium from the filling of the first tank 3.1 and the first tank 3.1. The first tank 3.1 is typically closed and problems with pressures, expansion, etc. are solved by connecting to auxiliary systems that take care of pressure regulation, etc.

Druhá nádrž 22 je ve výhodném provedení naplněna spalační náplní 22 po nej vyšší bezpečnou mez co nejblíže k hornímu okraji tak, aby nepřetekla. Jedna možná poloha hladiny spalační náplně mírně pod horním okrajem druhé nádrže 22 je vyznačena v detailu v obr. 3. Výhodné je též provedení, kdy je mezi výstupem systému 1 pro urychlování částic a otvorem v horní části druhé nádrže 22 přímá trubka těsně napojená na druhou nádrž 22, což umožní pohyb volné hladiny spalační náplně 22 i nad horní okraj druhé nádrže 22.The second tank 22 is preferably filled with combustion filling 22 up to the highest safe limit as close as possible to the upper edge so that it does not overflow. One possible position of the combustion filling level slightly below the upper edge of the second tank 22 is marked in detail in Fig. 3. It is also advantageous to have a straight pipe tightly connected to the second tank between the outlet of the particle acceleration system 1 and the opening in the upper part of the second tank 22 tank 22, which allows the movement of the free level of the combustion filling 22 even above the upper edge of the second tank 22.

Rozměry nádrží 22 a 32 mohou být libovolné, ale současně dostatečné tak, aby byly zachovány hlavní funkce vynálezu. Rovněž parametry systému 1 pro urychlování částic jsou libovolné, avšak takové, aby byly zachovány hlavní funkce vynálezu. Systém 1 pro urychlování částic je nejvýhodněji protonový, mohou v něm však být urychlovány i např. deuterony, jádra hélia či jiné vhodné částice. Urychlování částic se provádí pomocí elektrické energie. Systém 1 pro urychlování částic může obsahovat jeden částicový urychlovač nebo libovolný vyšší počet částicových urychlovačů.The dimensions of the tanks 22 and 32 can be arbitrary, but at the same time sufficient to preserve the main functions of the invention. Also, the parameters of the system 1 for accelerating particles are arbitrary, but such that the main functions of the invention are preserved. System 1 for accelerating particles is most advantageously a proton system, but e.g. deuterons, helium nuclei or other suitable particles can also be accelerated in it. Particles are accelerated using electrical energy. The particle accelerator system 1 may comprise one particle accelerator or any higher number of particle accelerators.

Nádrže 22 a 32 mohou být vyrobeny například z nerezové oceli určené pro aplikace při vyšších teplotách.Tanks 22 and 32 can be made of, for example, stainless steel intended for applications at higher temperatures.

Ve výhodném provedení má druhá nádrž 22 shora otvor. Pod otvorem je volná hladina tekuté spalační náplně 22. Výstup systému 1 pro urychlování částic je orientován směrem k tomuto otvoru. Urychlené částice tedy před dopadem na hladinu tekuté spalační náplně 22 nejsou brzděny stěnou nádrže. Otvor v horní části druhé nádrže 22 je dobře patrný v detailu v obr. 3 a také ve výřezu v obr. 4. Otvor může být různého tvaru a velikosti. Spalační náplní 22 je nejvýhodněji eutektická slitina olova a bismutu. Poměr složek je v tomto případě 44,5 % olova a 55,5 % bismutu. Je ale možné použít i jinou vhodnou kapalinou umožňující vznik dostatečného množství neutronů ve spalačních reakcích.In a preferred embodiment, the second tank 22 has an opening at the top. Below the opening is the free level of the liquid combustion filling 22. The output of the particle acceleration system 1 is oriented towards this opening. Therefore, the accelerated particles are not braked by the tank wall before hitting the surface of the liquid combustion filling 22. The opening in the upper part of the second tank 22 is clearly visible in the detail in Fig. 3 and also in the cutout in Fig. 4. The opening can be of different shapes and sizes. The sintering charge 22 is most preferably a eutectic alloy of lead and bismuth. The ratio of components in this case is 44.5% lead and 55.5% bismuth. However, it is also possible to use another suitable liquid enabling the creation of a sufficient amount of neutrons in spallation reactions.

Provedení podle obr. 1 až 4 může mít například tyto rozměry: druhá nádrž 22: výška 500 mm a průměr 500 mm, první nádrž 3,1: výška 5000 mm, průměr 5000 mm. Tento příklad provedení využívá jako částicový systém 1 pro urychlování částic jeden protonový urychlovač s proudem částic 200 mA a energií 1 GeV. Tento příklad provedení, který jako spalační 22 náplň využívá eutektickou slitinu olova a bismutu, umožňuje produkci více než 1 kg tritia za rok. Tomuto provedení odpovídá také graf v obr. 5, kde je uvedena produkce tritia na 100 000 protonů v závislosti na jejich energii v provedení podle předkládaného vynálezu, tedy s tekutým lithiem 32 a tekutým spalačním cílem 22 v oddělených nádržích. V obr. 3 je také uvedeno srovnání s provedením podle US 5768329 A, kde je společný spalační cíl 2 a zdroj lithia ve formě UiPb.The embodiment according to Fig. 1 to 4 can have, for example, the following dimensions: second tank 22: height 500 mm and diameter 500 mm, first tank 3.1: height 5000 mm, diameter 5000 mm. This exemplary embodiment uses one proton accelerator with a particle current of 200 mA and an energy of 1 GeV as particle system 1 for particle acceleration. This example design, which uses eutectic alloy of lead and bismuth as a spallation 22 charge, enables the production of more than 1 kg of tritium per year. The graph in Fig. 5 also corresponds to this embodiment, where the production of tritium per 100,000 protons is shown depending on their energy in the embodiment according to the present invention, i.e. with liquid lithium 32 and liquid spallation target 22 in separate tanks. Fig. 3 also shows a comparison with the embodiment according to US 5768329 A, where the spallation target 2 and the lithium source are in the form of UiPb.

-4CZ 2021 - 226 A3-4CZ 2021 - 226 A3

Geometrie pro simulaci produkce tritia podle US 5768329 A byla zvolena tak, aby byla ekvivalentní geometrii podle předkládaného vynálezu. Vnější obvodová stěna nádrže pro UiPb, který podle US 5768329 A současně slouží i jako spalační cíl 2, je tedy tvořena válcovou plochou a má průměr 5000 mm, výška je 5000 mm a podstavy jsou kruhové. Z obr. 5 je vidět, že řešení podle předkládaného vynálezu umožňuje mnohonásobně vyšší produkci tritia.The geometry for the tritium production simulation of US 5768329 A was chosen to be equivalent to the geometry of the present invention. The outer peripheral wall of the tank for UiPb, which, according to US 5768329 A, also serves as combustion target 2, is therefore formed by a cylindrical surface and has a diameter of 5000 mm, a height of 5000 mm, and the bases are circular. It can be seen from Fig. 5 that the solution according to the present invention enables a many times higher production of tritium.

Uspořádání podle vynálezu umožňuje také energetické úspory a konstrukční jednoduchost. První nádrž 3,1 totiž může být opatřena systémem pro udržení provozní teploty tekutého lithia 32 i spalační náplně 22. Tzn. jeden systém zajišťuje udržení provozní teploty obou tekutých složek, spalační náplně 22 i tekutého lithia 32. Systém pro udržení provozní teploty tekutého lithia 32 i spalační náplně 22 může přitom obsahovat tepelný zdroj a/nebo chladič. Umístění systému pro udržení provozní teploty je libovolné podle konkrétního návrhu. Může obepínat první nádrž 3,1. být v její stěně nebo přímo vevnitř v tekutém lithiu 32.The arrangement according to the invention also enables energy savings and structural simplicity. The first tank 3.1 can be equipped with a system for maintaining the operating temperature of the liquid lithium 32 and the combustion filling 22. That is. one system ensures the maintenance of the operating temperature of both liquid components, the combustion charge 22 and the liquid lithium 32. The system for maintaining the operating temperature of the liquid lithium 32 and the combustion charge 22 may include a heat source and/or a cooler. The location of the system for maintaining the operating temperature is arbitrary according to the specific design. It can surround the first tank 3.1. be in its wall or directly inside liquid lithium 32.

Na obr. 1 jsou vidět také podpůrné systémy, jmenovitě:Also visible in Fig. 1 are the support systems, namely:

• vstupní potrubí 4 tekutého lithia do první nádrže 3,1 z jednotky pro separaci produktů s obsahem tritia;• inlet pipe 4 of liquid lithium to the first tank 3.1 from the unit for separation of products containing tritium;

• výstupní potrubí 5 směsi tekutého lithia a produktů s obsahem tritia z první nádrže 3,1 do jednotky pro separaci produktů s obsahem tritia. Tato jednotka není v obrázcích znázorněna. Jak je zřejmé z předchozího, jednotka pro separaci produktů s obsahem tritia je pomocí výstupního potrubí 5 směsi tekutého lithia a produktů s obsahem tritia propojena s první nádrží 3,1;• outlet pipe 5 of the mixture of liquid lithium and products containing tritium from the first tank 3.1 to the unit for the separation of products containing tritium. This unit is not shown in the pictures. As is clear from the above, the unit for the separation of tritium-containing products is connected to the first tank 3.1 by means of the outlet pipe 5 of the mixture of liquid lithium and tritium-containing products;

• vstupní potrubí 6 tekuté spalační náplně 22 do druhé nádrže 2,1 z podpůrného chemického systému čištění a doplňování; a • výstupní potrubí 7 tekuté spalační náplně 22 z druhé nádrže 2,1. do podpůrného chemického systému.• inlet pipe 6 of liquid spallation charge 22 to the second tank 2.1 from the supporting chemical cleaning and replenishment system; and • outlet pipe 7 of the liquid combustion filling 22 from the second tank 2.1. into the supporting chemical system.

Podpůrné systémy mají mimo jiné tyto fúnkce: separace produktů s obsahem tritia z první nádrže 3,1 lithiové produkční komory 3, doplňování lithia do první nádrže 3,1, čištění a doplňování tekuté spalační náplně 22 do druhé nádrže 2,1. Podpůrné systémy zahrnují také zdroj částic pro systém 1 pro urychlování částic.Support systems have, among others, the following functions: separation of tritium-containing products from the first tank 3.1 of the lithium production chamber 3, refilling of lithium into the first tank 3.1, cleaning and refilling of the liquid spallation charge 22 into the second tank 2.1. Support systems also include a particle source for particle accelerator system 1.

Zařízení ke svému provozu, na rozdíl od současných technologií, potřebuje pouze elektrickou energii, pomocné chemické provozy a ostatní pomocné provozní systémy.In contrast to current technologies, the device only needs electrical energy, auxiliary chemical operations and other auxiliary operating systems for its operation.

Zařízení podle předkládaného vynálezu, kde je tekutá spalační náplň 22 oddělena od tekutého lithia 32, dosahuje více než desetinásobného zvýšení efektivity produkce tritia než řešení podle US 5768329 A, kde je spalační cíl 2 současně zdrojem lithia, a to při ekvivalentním geometrickém uspořádání.The device according to the present invention, where the liquid spallation charge 22 is separated from the liquid lithium 32, achieves a more than tenfold increase in the efficiency of tritium production than the solution according to US 5768329 A, where the spallation target 2 is simultaneously a source of lithium, with an equivalent geometric arrangement.

Další výhoda rozděleného spalačního cíle 2 s tekutou spalační náplní 22 a lithiové produkční komory 3 s tekutým lithiem 32 spočívá ve zjednodušeném procesu separace tritia a/nebo sloučenin tritia. Při procesu separace tritia ze samotného tekutého lithia 32 není tato separace negativně ovlivněna přítomností spalačních trosek, protože ty se nacházejí v odděleném systému spalačního cíle 2. Pro separaci mohou být použity standardní metody známé ze stavu techniky.Another advantage of the split spallation target 2 with liquid spallation filling 22 and the lithium production chamber 3 with liquid lithium 32 lies in the simplified process of separation of tritium and/or tritium compounds. In the process of separating tritium from liquid lithium 32 itself, this separation is not negatively affected by the presence of spallation debris, since these are located in a separate system of the spallation target 2. Standard methods known from the state of the art can be used for separation.

Předkládaný vynález umožňuje výrobu tritia a/nebo jeho sloučenin zcela bez jaderného paliva. Eliminace využití jaderného paliva v procesu výroby tritia s sebou nese mnoho výhod: 1) zjednodušení celého systému, 2) minimalizace radiačních rizik, 3) zvýšení bezpečnosti systému, 4) snížení byrokratické zátěže provozovatele, a 5) minimalizace vzniku jaderného odpadu výrobou tritia.The present invention enables the production of tritium and/or its compounds completely without nuclear fuel. Eliminating the use of nuclear fuel in the tritium production process entails many advantages: 1) simplification of the entire system, 2) minimization of radiation risks, 3) increase of system safety, 4) reduction of the bureaucratic burden of the operator, and 5) minimization of nuclear waste generated by tritium production.

-5CZ 2021 - 226 A3-5CZ 2021 - 226 A3

Není zapotřebí separátní moderátor neutronů. Lithiová produkční komora 3 s tekutým lithiem 3,2 je tedy jednoduché konstrukce.A separate neutron moderator is not required. The lithium production chamber 3 with liquid lithium 3.2 is therefore a simple structure.

Lithiová produkční komora 3 s tekutým lithiem 3,2. která obklopuje spalační cíl 2, má mnoho výhod i oproti obalu z lithiových solí popsanému v US 5160696 A, například: 1) nižší provozní teplotu, okolo 200 °C u předkládaného vynálezu (teplota tání lithia je 180 °C a teplota tání eutektické směsi PbBi je 124 °C) oproti provozní teplotě roztavených solí, která přesahuje 300 °C a pro některé soli i 400 a více stupňů. 2) jednodušší chemickou formu produkovaného tritia ve ίο formě plynného tritia a/nebo pevného hydridu lithného (UiT), který je velmi praktický pro převoz a skladování oproti složitějším sloučeninám solí.Lithium production chamber 3 with liquid lithium 3.2. which surrounds the spallation target 2, has many advantages even compared to the lithium salt coating described in US 5160696 A, for example: 1) lower operating temperature, around 200 °C in the present invention (the melting temperature of lithium is 180 °C and the melting temperature of the eutectic mixture PbBi is 124 °C) compared to the operating temperature of molten salts, which exceeds 300 °C and for some salts even 400 or more degrees. 2) a simpler chemical form of the produced tritium in the form of gaseous tritium and/or solid lithium hydride (UiT), which is very practical for transportation and storage compared to more complex salt compounds.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Vynález lze využít k produkci tritia potřebného jako palivo fuzních reaktorů a fúzních elektráren. Případné využití produkovaného tritia není nijak omezeno na fúzní energetiku a může být aplikováno na jakékoliv další obory.The invention can be used to produce tritium needed as a fuel for fusion reactors and fusion power plants. The potential use of the produced tritium is not limited to fusion energy and can be applied to any other fields.

Claims

PATENT CLAIMS

1. Equipment for the production of products containing tritium, comprising a system (1) for accelerating particles and a spallation target (2), wherein the output of the system (1) for accelerating particles is oriented towards the spallation target (2), characterized in that further comprises a lithium production chamber (3) which includes a first tank (3.1) and a filling of the first tank (3.1) containing liquid lithium (3.2) located therein, and that the combustion target (2) includes a second tank (2.1) and in it placed combustion charge (2.2) which is liquid, wherein a cavity is formed in the first tank (3.1) in which at least part of the second tank (2.1) is located and wherein the device also includes a unit for separating tritium-containing products from the first tank charge ( 3.1).

2. Device according to claim 1, characterized in that the entire second tank (2.1) is located in the cavity created in the first tank (3.1).

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the second tank (2.1) has an opening at the top; and that the output of the particle acceleration system (1) is oriented towards this hole.

4. Device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the spallation filling (2.2) is a eutectic alloy of lead and bismuth.

5. Device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the system (1) for accelerating particles is protonic.

6. Device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the first tank (3.1) is equipped with a system for maintaining the operating temperature of the liquid lithium (3.2) and the spallation filling (2.2).

7. Tritium production device according to claim 6, characterized in that the system for maintaining the operating temperature of the liquid lithium (3.2) and the spallation charge (2.2) contains a heat source and/or a cooler.

8. Device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the first tank (3.1) and the second tank (2.1) have at least one common wall or that at least one wall of the first tank (3.1) is in contact with at least one wall of the second tanks (2.1).

9. The device according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the unit for separating products containing tritium from the filling of the first tank (3.1) contains a module for receiving gaseous tritium.

10. The device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the unit for separating products containing tritium from the filling of the first tank (3.1) contains a module for the extraction of solid lithium tritide.