DE2307180A1 - Deuteriumgewinnung durch isotopentrennung an titan/nickel-phasen - Google Patents

Deuteriumgewinnung durch isotopentrennung an titan/nickel-phasen

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Description

DAIM 9706/4
7o Februar 1973
Daimler-Benz Aktiengesellschaft Stuttgart-Unt ertürkheim
Deuteriumgewinnung durch Isotopentrennung an Titan/Nickel-Phasen
Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zur Trennung von Deuterium und Wasserstoff.
Zur Herstellung des technisch sehr wichtigen schweren Wassers, DpO, werden im wesentlichen die folgenden, physikalisch verschiedenen Methoden angewendet:
Im Clusius'sehen Trennrohrverfahren wird der Effekt der Thermodiffusion und -konvektion ausgenutzt. Dabei steigt Wasserstoff als leichtere Komponente an einem erhitzten Draht in der Mitte eines etwa 20 Meter langen Glasrohres auf, während Deuterium als schwerere Komponente des Gasgemisches an der kühlen Rohrwand absinkt. Am oberen Rohrende wird daher der reine Wasserstoff abgeleitet, während am unteren Ende reines Deuterium gewonnen wird.
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DAIM 9706/4
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Um einen höheren Wirkungsgrad der Trennrohrmethode zu erreichen, wird diese mit einer Ultrazentrifuge gekoppelt. In einer mit sehr hohen Tourenzahl laufenden Zentrifuge reichert sich ebenfalls das leichtere Isotop in der Mitte, das schwerere Isotop am Rande an, wodurch der Thermodiffusionseffekt unterstützt wird.
Geht man bei der Deuteriumgewinnung von flüssigem Wasserstoff aus, so erhält man durch fraktionierte Destillation eine Anreicherung von Wasserstoff im Dampf und von Deuterium in der Flüssigkeit.
Auch bei chemischen Austauschreaktionen zwischen flüssiger und dampfförmiger Phase findet fast immer eine Verschiebung des Isotopenverhältnisses statt. So nimmt beim Schwefelwasserstoffverfahren das HpS-Gas, durch heisses Wasser geleitet, Deuterium auf, um es im Austausch an kaltes Wasser wieder abzugeben und dort anzureichern.
Nach der letztgenannten Methode wird in Kanada, dem Land mit den grössten Schwerwasserreaktoren, DpO hergestellt. Die Planung von zusätzlichen Leistungsreaktoren auf Schwerwasserbasis hat einen Engpass in der DpO-Versorgung hervorgerufen, so dass der Bedarf nicht gedeckt werden kann. Diese Verknappung an DpO und das Herstellungsverfahren selbst führen zu hohen Preisen des schweren Wassers.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, sowohl ein billigeres Herstellungsverfahren als auch eine erhöhte Produktionsrate an Deuterium und damit an schwerem Wasser zu erzielen.
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Es wurde gefunden, daß die "beiden Legierungen TipNi und TiNi Wasserstoff in sehr großen Mengen, Deuterium aber nur geringfügig oder gar- nicht "bei Temperaturen "bis etwa 350 0C1 insbesondere bei 50 0C bis 150 0C, im Gitter absorbieren können.
Verwendet man speziell TiNi für derartige Trennversuche, so wird ausschließlich Wasserstoff in großen Mengen absorbiert, während der Gasrückstand über dem als Pulver oder als Festkörper eingesetzten TiNi mit Deuterium angereichert'ist.
.Ähnlich verhalten sich auch die Legierung TipNi und Legierungs—' gemische Ti2Ni/TiNi.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Trennung von Deuterium und Wasserstoff, das darin besteht, daß man gasförmigen deuterium"!!altigen Wasserstoff mit TiNi, TipNi oder Gemischen davon in Kontakt bringt und den nichtabsorbierten Gasrückstand von der Ti/Ni-Legierung abtrennt und das an Deuterium angereicherte Gas isoliert oder der weiteren Anreicherung zuführt. Zusatzmetalle der Gruppen IHb - VIIIb, sowie Kupfer und Spuren der seltenen Erdmetalle können das Verhalten der Legierungen beeinflussen. So erleichtert ein Zusatz von Zirkon den Wasserstoffaustritt aus den Phasen, während Kupferzusatz die mechanische Festigkeit erhöht. Je nach der gewünschten Anwendungsform können also solche Zusätze bevorzugt Bein.
Der Isotopentrenneffekt der beiden Legierungen und der Legierungsgemische aufgrund der Wasserstoffabsorption im Legierungsgitter kann mit Vorteil auf zwei verschiedene Arten zur ■ reinen Deuterium-Darstellung oder zur Deuteriumanreicherung verwendet werden.
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Die eine Arbeitsweise besteht darin, das Wasserstoff/Deuteriumgemisch über -verschiedene Stufen mit den Jeweils wasserstofffreien Legierungen in Kontakt zu bringen. Der Deuteriumgehalt im Restgas nimmt dadurch ständig zu, und das mit Deuterium stark angereicherte Gemisch kann entweder im Kreisprozeß wieder über die dehydrierten Legierungen geleitet, oder nach einer bekannten Methode getrennt werden.
Die andere Möglichkeit besteht darin, ein Clusius Trennrohr mit einem Pulver der genannten Ti-Ni Legierungen zu füllen und nun den Absorptionseffekt und den thermischen Effekt gemeinsam auszunutzen. Der Heizdraht des Rohres ist also vom Pulver umgeben,und das Wasserstoffkonzentrationsgefälle längs des Rohres wird durch die hohe Wasserstoffabsorption der Legierungen deutlich gesteigert. Zur Füllung können selbstverständlich auch z. B. Sinterkörper oder Granulate verwendet werden, eine Pulverfüllung ist Jedoch am einfachsten.
Das Abfallprodukt des Trennprozesses, nämlich die mehr oder weniger vollhydrierten Titan/Nickel-Legierungen können ihrerseits wieder großtechnische Verwendung im Batteriebau und alsdrucklose Wasserstoffspeicher finden, oder sie werden dehydriert, so daß das Metall wieder dem erneuten Kontakt mit dem Wasserstoff/D,euteriumgas zugeführt werden kann. Das Dehydrieren kann in üblicher und an sich bekannter Weise, z. B. durch Erhitzen, erforderlichenfalls unterstützt durch ein Vakuum, erfolgen.
Da der Kilopreis der Ti/Ni-Legierungen heute durchschnittlich nur um DM 10,— liegt und die Anreicherungsprozesse sehr schnell verlaufen, können mit diesem Verfahren die Produktionskosten gesenkt und die Jährlichen Produktionsmengen an D2O erhöht werden.
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Claims (7)

5 - DAIM 9706/4 Patentansprüche
1. Verfahren zur Trennung von Deuterium und Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet , daß man das gasförmige Gemisch von Deuterium und Wasserstoff mit TiNi1 TioNi oder einem Gemisch dieser Legierungen in Kontakt bringt und nach einer zur Absorption von Wasserstoff in der Metallegierung ausreichenden Verweilzeit das nichtabsortierte Restgas von der Metallegierung abtrennt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man die Absorption bei Temperaturen bis 300 C, vorzugsweise zwischen 50 und 150 0C durchführt.
J. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß man das Wasserstoff/Deuteriumgemisch stufenweise jeweils mit dehydrierter Metalllegierung in Pulverform in Kontakt bringt.
4·. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß man das Wasserstoff/Deuteriumgemisch im Kreislauf über oder durch jewei Is dehydrierte Metallegierung führt.
5. Verfahren nach Anspruch Ί oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß man eine bekannte Trennvorrichtung, insbesondere ein Clusius'sches Trennrohr ganz oder teilweise mit dem Legierungspulver füllt.
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. DAIM 9706/4 - 6 -
6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß man ein Clusius Trennrohr aus einer porösen Matrix verwendet, deren Poren mit der Ti/Ni-Legierung gefüllt sind, und durch die auf Temperaturen "bis 300 0C, vorzugsweise 50 - 150 0C gehaltene Rohrwand diffundierten Wasserstoff kontinuierliche oder intermittierend abführt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,.dadurch gekennzeichnet , daß man ein Clusius Trennrohr aus wasserstoffdurchlässigem Material verwendet und dessen Innenseite mit einer kompakten Schicht der Ti/Ni-Legierung "bedeckt.
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