FR2529097A1 - Billes de sorption d'isotopes de l'hydrogene, et procede pour leur utilisation - Google Patents
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Abstract
LA BILLE DE SORPTION 10 D'ISOTOPES DE L'HYDROGENE COMPREND UNE COQUILLE SPHERIQUE 12 DE POUDRE METALLIQUE FRITTEE ET POREUSE, ET UNE SUBSTANCE GETTER NON EVAPORABLE 14 ENFERMEE DANS LADITE COQUILLE ET COMPRENANT UN METAL GETTER PULVERULENT. LA POROSITE DE LA COQUILLE DE METAL SUFFIT POUR PERMETTRE LA SORPTION D'ISOTOPES DE L'HYDROGENE A PARTIR D'UN MELANGE DE GAZ APRES ACTIVATION DE LA SUBSTANCE GETTER NON EVAPORABLE, TOUT EN EVITANT LA FUITE DE PARTICULES LIBRES DE LA SUBSTANCE GETTER. LE PROCEDE EST PARTICULIEREMENT APPLICABLE A LA SORPTION DE TRITIUM A PARTIR D'UN MELANGE GAZ RARE-TRITIUM DANS UN REACTEUR A FUSION.
Description
Il existe de nombreux cas dans lesquels il est souhai-
table, voire nécessaire d'éliminer de grandes quantités
d'hydrogène et/ou de ses isotopes d'une ambiance particu-
lière Par exemple, il peut être nécessaire d'éliminer l'hydrogène d'un courant de gaz naturel pour le séparer des
autres gaz composants tels que le méthane et autres hydro-
carbures Lorsque les débits de gaz sont importants, de
grandes quantités de gaz sont en cause Pour séparer l'hy-
drogène, on peut faire passer le mélange de gaz sur un lit d'une substance de sorption d'hydrogène ou d'une substance d'absorption dite "getter" qui n'est pas évaporable Ces
substances sont habituellement inertes vis-à-vis des hydro-
carubres qui, pour cette raison, ne sont pas sorbés Les substances getter qui sont non évaporables au plus haut
degré sont métalliques ou comprennent un composant métalli-
que qui, après sorption de grandes quantités d'hydrogène, devient friable et forme une poudre très fine Cette poudre très fine peut être entraînée dans le courant gazeux et peut être difficile à récupérer de façon efficace La perte des particules entraîne une perte de l'hydrogène que l'on
veut récupérer On sait également que de très fines parti-
cules métalliques et non contrôlées se trouvant dans l'am-
biance constituent un risque d'explosion De fines parti-
cules d'hydrures métalliques se trouvant dans le courant gazeux sont également abrasives et peuvent provoquer une panne d'organes tels que des valves ou des pompes, en
raison de leur action abrasive.
Les réacteurs à fusion transforment la masse en énergie en fusionnant des atomes-légers De nombreuses réactions nucléaires différentes sont possibles, mais seules quelques unes d'entr'elles ont une valeur pratique du point de vue de la production d'énergie Ces réactions mettent en oeuvre les isotopes de l'hydrogène On connaît trois isotopes de l'hydrogène qui sont l'hydrogène, le deutérium et le tritium. Pour obtenir une puissance effective, il faut que les
réactions de fusion aient lieu à des températures élevées.
Le processus de production d'énergie pouvant se dérouler aux températures les plus basses et de ce fait le processus de fusion que l'on peut le plus facilement mettre en oeuvre dans la pratique est la combinaison d'un noyau de deutérium
avec un noyau de tritium.
Les produits obtenus sont de l'hélium-4 ( 4 He) qui est l'isotope commun énergétique de l'hélium (également appelé
particule alpha) et un neutron libre plus fortement énergé-
tique Le noyau d'hélium porte environ le cinquième de l'énergie totale dégagée et le neutron porte les quatre
cinquièmes restants.
On peut extraire facilement le deutérium de l'eau ordinaire On estime que les eaux de surface sur la terre
comprennent plus de 1018 tonnes de deutérium, ce qui cons-
titue une réserve pratiquement inépuisable On peut prépa-
rer le tritium sur une grande échelle par bombardement de 6 Li enrichi au moyen de 14 Me V neutrons 6 Li (n, d)3 H dans
un réacteur à fission.
Pour extraire l'énergie du réacteur, on l'entoure d'une
"couverture" qui absorbe les neutrons Les neutrons déga-
gent leur énergie cinétique dans la couverture et cette chaleur peut être utilisée par exemple pour entraîner des
turbines habituelles en vue de la génération d'électricité.
On peut extraire de différentes manières la chaleur provenant de la couverture La couverture elle-même peut
consister en un métal liquide qui est entraîné en circu-
lation continue dans un échangeur de chaleur, puis renvoyé dans l'environnement de la couverture Malheureusement, ceci implique le pompage du métal liquide au travers de champs magnétiques élevés et de géométries complexes En variante, la couverture peut être constituée par un absorbeur de neutrons solide sur lequel passe un réfrigérant liquide ou gazeux tel que de la vapeur à haute pression ou un gaz rare tel que l'hélium.
Comme le tritium dont on a besoin en tant que combusti-
ble pour le réacteur est coûteux, on peut utiliser la
couverture elle-même comme source de tritium Si la couver-
ture est en lithium ou en un alliage de lithium avec d'au-
tres éléments tels que de l'hydrogène, du deutérium, du plomb ou du plomb et de l'aluminium, et autres composés à base de lithium tels que le Li 2 Si O 3, le lithium du matériau de la couverture produit du tritium quand il est irradié
avec des neutrons provenant de la réaction de fusion.
Bien que la description qui suit se réfère fréquemment
au tritium, on comprendra que certaines quantités d'hydro-
gène et de deutérium se forment dans la couverture à la suite de réactions (n, p) et (n, d), et que ces substances
se comportent de manière similaire au tritium.
Le tritium n'est que faiblement soluble dans le maté-
riau de la couverture et il commence donc à se diffuser rapidement hors du matériau générateur solide ou liquide en créant une pression partielle élevée du gaz de tritium et
en provoquant des difficultés considérables pour le confi-
nement du tritium, surtout si le réfrigérant est une substance génératrice liquide On peut réduire certaines de
ces difficultés en utilisant un générateur à base de li-
thium sous forme solide seulement en tant que générateur et en utilisant un réfrigérant à gaz rare ou à gaz de purge pour éliminer le tritium à mesure qu'il est produit Le
tritium doit alors être séparé sous forme pure du réfrigé-
rant à gaz rare ou du gaz de purge.
On peut faire passer le mélange tritium-gaz rare par une chambre de purification contenant de la substance d'absorption (getter) sous forme de poudre pour sorber seulement le tritium, du fait que le gaz rare est inerte et n'est pas sorbé Mais comme les quantités de tritium en cause sont importantes, la poudre d'absorption (getter) peut facilement devenir friable et se transformer en une
poudre fine qu'il est difficile de manipuler avec sécurité.
Si la chambre de purification est endommagée, les particu-
les de poudre très fine qui contiennent du tritium radio-
actif peuvent s'échapper Si la poudre s'enflamme acciden-
tellement, ceci peut également dégager une poudre radio-
active dans l'ambiance.
Il n'est pas possible de mélanger la poudre de getter avec la substance génératrice du lithium du fait que cet effet de friabilité et les dangers qui en découlent peuvent
apparaître Il est en outre difficile de séparer complète-
ment la poudre de getter radioactive et contenant du tri-
tium de la substance génératrice sans utiliser des procédés
complexes et coûteux.
On a proposé de placer la poudre de getter non évapora-
ble dans des plateaux entre des plaques de support plates et poreuses, mais ceci a pour conséquence un procédé non continu du fait que le courant gazeux doit être stoppé
périodiquement pour retirer les plateaux.
Un but de la présente invention est donc de fournir une bille de sorption des isotopes de l'hydrogène qui évite l'échappement de particules libres de substance getter et que l'on puisse utiliser dans un procédé continu pour la
sorbtion des isotopes de l'hydrogène dans un courant gazeux.
Un autre but de la présente invention est de fournir
une bille de sorption de tritium et un procédé de récupéra-
tion de tritium dans le domaine de la technologie des réacteurs à fusion, ne présentant pas un ou plusieurs des inconvénients des dispositifs à getter ou des procédés de
récupération du tritium déjà connus.
Un autre but encore de la présente invention est de fournir une bille de sorption de tritium et un procédé de récupération de tritium à partir d'un réfrigérant à gaz rare ou d'un gaz de purge d'une couverture génératrice d'un
réacteur à fusion.
Ces buts et avantages de la présente invention, et d'autres encore, apparaîtront clairement à l'homme du
métier avec référence à la description détaillée qui suit
et aux dessins annexés. La Fig 1 est une coupe schématique d'une bille de sorption des isotopes de l'hydrogène selon la présente invention. La Fig 2 est une coupe schématique d'un purificateur de gaz rares utilisant des billes de sorption d'isotopes de l'hydrogène selon la présente invention pour l'élimination d'isotopes de l'hydrogène à partir d'un gaz rare ou d'un gaz de purge d'une couverture génératrice d'un réacteur à fusion. La Fig 3 est une représentation schématique d'un procédé d'élimination de l'hydrogène d'une zone riche en hydrogène. La présente invention concerne une bille de sorption des isotopes de l'hydrogène comprenant une coquille en poudre métallique frittée et poreuse qui entoure une substance getter non évaporable, une partie au moins de la substance getter étant un métal getter pulvérulent La porosité de la coquille de métal suffit pour permettre la sorption des isotopes de l'hydrogène après activation de la substance getter non évaporable, tout en évitant la fuite
de particules libres de la substance getter.
De préférence, chaque bille de sorption des isotopes de l'hydrogène comprend une coquille sensiblement sphérique en
métal poreux entourant une substance getter non évaporable.
La coquille de métal poreux peut être avantageusement formée par frittage partiel d'une poudre métallique placée autour de la substance getter On peut utiliser tout métal susceptible de résister à l'environnement de travail et disponible sous forme de poudre, qui forme une masse
poreuse cohésive après chauffage à une température suffi-
samment basse pour ne pas provoquer de dégâts à la substance getter non évaporable Parmi d'autres, l'acier, le fer, le nickel et le cobalt conviennent à cet usage Un métal que l'on préfère est l'acier inoxydable Un autre métal préféré est le nickel du fait qu'il est magnétique et que ses propriétés magnétiques peuvent être utilisées lors de la manipulation des billes La poudre métallique peut avoir tout diamètre convenant à la formation de la coquille poreuse et elle peut être avantageusement comprise entre /um et 200 /um, et de préférence entre 40 /um et 120 /um.
Lorsque les diamètres sont plus petits, il est plus diffi-
cile de contr 8 ler le processus de frittage partiel et il y a risque que la coquille ne soit pas suffisamment poreuse
pour autoriser un passage correct des isotopes de l'hydro-
gène vers la substance getter Lorsque les diamètres sont plus importants, la porosité est telle qu'elle permet aux particules de substance getter de s'échapper en traversant
la coquille.
Le diamètre externe de la coquille peut être compris entre 0,2 et 5 cm et il est de préférence compris entre 0,3 et 1,5 cm, alors que l'épaisseur de la coquille peut est
comprise entre 0,5 et 2 mm environ.
La substance getter contenue dans la coquille est toute
substance getter non évaporable capable de sorption réversi-
ble des isotopes de l'hydrogène tels que le titane, le zirconium, le tantale ou le niobium, de même que des alliages et/ou des mélanges de deux ou plusieurs des
substances ci-dessus ou avec d'autres métaux qui ne rédui-
sent pas sensiblement leur capacité de sorption Les substances getter non évaporables préférées sont celles qui comprennent un mélange fritté de zirconium ou de titane pulvérulent et d'un agent anti-frittage Le zirconium ou le
titane est présent sous forme d'une poudre fine qui traver-
se un tamis standard US de 79 mailles/cm ( 200 mailles au pouce) et de préférence un tamis standard US de 158 mailles/ cm ( 400 mailles au pouce) L'agent anti-frittage peut être
choisi dans le groupe comprenant le C, les alliages de Zr-
Ai et des alliages de Ti-V-Fe ou de Zr-V-Fe.
Les alliages de Zr-V-Fe et de Ti-V-Fe sont particuliè-
rement utiles quand il faut rendre la substance getter capable de sorption des isotopes de l'hydrogène à des
températures relativement basses.
L'agent anti-frittage est présent sous forme d'une poudre passant par un tamis standard US de 24 mailles/cm ( 60 mailles au pouce) mais de préférence par un tamis standard US de 47 mailles/cm ( 120 mailles au pouce), et ces dimensions sont en général plus importantes que celles des
particules de zirconium ou de titane.
En fonctionnement, les billes de sorption sont placées
dans le courant de gaz qui contient de l'isotope de i'hydro-
gène à récupérer Ceci peut être par exemple un courant de gaz naturel contenant de l'hydrogène, ou il peut être le réfrigérant à gaz rare ou le gaz de purge d'une couverture génératrice d'un réacteur à fusion Elles peuvent être activées par exemple par un chauffage par induction avant l'introduction dans le courant de gaz, ou si la substance getter peut être activée à de basses températures, la
température du gaz peut suffire pour provoquer leur activa-
tion et la sorption de l'isotope de l'hydrogène.
Les billes peuvent être également situées dans la couverture génératrice en étroite relation spatiale avec la
substance génératrice.
Les billes de sorption peuvent dont être utilisées dans toute application o il faut sorber de grandes quantités d'hydrogène et/ou de ses isotopes, et o la formation de fines particules de métal getter et leur dégagement dans un
courant de gaz pourrait être dangereux.
L'hydrogène qui est concerné par la présente invention est celui qui est constitué par tous les isotopes de l'hydrogène et il peut être sous la forme H 2, D 2, T 2, HD,
HT ou DT.
L'invention est particulièrement utile quand il s'agit d'hydrogène lourd, c'est-à-dire de deutérium et/ou de
tritium -
Si on se réfère maintenant aux dessins et en particu-
lier à la Fig 1, celle-ci est une coupe schématique d'une bille 10 de sorption d'isotopes de l'hydrogène comprenant
une coquille sensiblement sphérique 12 d'une poudre métalli-
que frittée poreuse, de préférence une poudre d'acier inoxydable dont la dimension des particules est comprise entre 5,um et 200 1 um et de préférence entre 40,um et 120 um Le diamètre de la coquille est compris entre 0,2 et 5 cm et son épaisseur est comprise entre 0,5 et 2 mm Une substance getter non évaporable 14 est enfermée dans la coquille sphérique 12 et comprend un mélange fritté de zirconium et d'un agent anti-frittage que l'on peut choisir dans le groupe comprenant le C, un alliage Zr-Al et de préférence un alliage constitué par 84 % de Zr et 16 % de Al (en poids) ou un alliage Ti-V-FE ou un alliage Zr-V-Fe, et
de préférence un alliage dont la composition en pourcenta-
ges en poids, quand on établit un diagramme de composition ternaire en pourcentage en poids de Zr, en pourcentage en poids de V et en pourcentage en poids de Fe, est située à l'intérieur d'un polygone dont les coins sont constitués par les points définis par: a) 75 % Zr 20 % V 5 % Fe b) 45 % Zr -20 % V -35 % Fe
c) 45 % Zr 50 % V 5 % Fe.
on prépare la bille de sorption en mélangeant la poudre de zirconium et l'agent anti-frittage, en plaçant le mélange dans un moule sphérique et en chauffant sous vide à environ 8001 C 12000 C pendant plusieurs minutes Après refroidissement à la température ambiante, la sphère frittée de substance getter est placée dans un second moule sphérique plus important revêtu d'une poudre métallique pour la coquille Le second moule est alors chauffé sous vide à approximativement la même température et pendant une durée suffisante pour donner à la coquille sphérique la porosité recherchée La porosité de la coquille doit être
suffisante pour permettre la sorption d'isotopes de l'hydro-
gène à partir du mélange de gaz après activation de la substance getter non évaporable tout en évitant la fuite de particules libres de la substance getter qui est provoquée
par la sorption de grandes quantités d'isotopes de l'hydro-
gène. En variante, le mélange de poudre getter peut être simplement comprimé mécaniquement pour former un élément de forme sphérique et cohésif, puis revêtu par immersion dans un bain de poudre métallique mélangée à un liant pour former une coquille Cette bille est alors chauffée sous vide pour provoquer le frittage simultané de la substance
getter et de la coquille.
Si on se réfère maintenant à la fig 2, celle-ci repré-
sente un purificateur de gaz rares 16 destiné à l'élimina-
tion du tritium de l'hélium dans un réacteur à fusion Le purificateur de gaz rares 16 comprend une entrée de gaz 18 fixée à une chambre de sorption de tritium 20, et une sortie de gaz 22 Une trémie d'alimentation 24, contenant des billes de sorption de tritium 26, 26 ', etc indentiques à la bille 10 est également fixée à la chambre de sorption au moyen d'un tuyau non métallique 28 et de deux clapets
30, 32 Un enroulement de chauffage par induction 34 entou-
re le tuyau 28 Une sortie 36 destinée aux billes de sorp-
tion de tritium est également munie de deux clapets 38, 40.
En faisant fonctionner correctement les clapets 30, 32, 38, 40 on fait passer les billes de sorption du tritium dans la chambre de sorption 20 Les billes ne peuvent pas passer par l'entrée de gaz 18 ni par la sortie de gaz 22 du fait de limiteurs ou barrières en toile métallique 42, 44 respectivement On fait passer l'hélium chaud provenant de la couverture du réacteur et qui est mélangé au tritium par la chambre à sorption 20, et le tritium vient en contact avec les billes de sorption de tritium, ce qui entraîne sa sorption Si la température de l'hélium ne suffit pas pour activer la substance getter des billes de sorption de
tritium, on peut alors utiliser l'enroulement 34 de chauf-
fage par induction pour activer la substance pendant le passage des billes par un tuyau non métallique 28 avant qu'elles pénètrent dans la chambre de sorption 20 Après élimination des billes de la chambre de sorption, on peut les manipuler avec sécurité sans perte de particules de substance getter et on peut les chauffer sous vide pour
récupérer le tritium qui a été sorbé.
Si on se réfère maintenant à la fig 3, celle-ci est une représentation schématique 300 d'un procédé utilisant
des billes de la présente invention pour éliminer l'hydro-
gène d'une zone 302 riche en hydrogène On prévoit une source 304 de billes selon la présente invention et on la relie à la zone 302 riche en hydrogène par des moyens de liaison appropriés 306 qui sont particulièrement adaptés pour admettre un courant continu de billes et les envoyer dans la zone 302 riche en hydrogène Les billes viennent en contact avec l'hydrogène dans la zone riche en hydrogène, et elles y sorbent l'hydrogène; Les billes sont éliminées de la zone riche en hydrogène 302 au moyen d'un second
connecteur 308 qui est relié à un collecteur de billes 310.
Les billes peuvent être alors chauffées en vue d'éliminer
l'hydrogène.
La zone riche en hydrogène pourrait être un gaz rare contaminé par de l'hydrogène lourd, l'expression riche en hydrogène désignant tout pourcentage d'hydrogène lourd que
l'on désire éliminer du gaz rare.
Bien que l'invention ait été décrite en détail avec référence à certains modes de réalisation préférés dans le but d'enseigner à l'homme du métier la meilleure façon de mettre l'invention en oeuvre, on comprendra que d'autres modifications puissent lui être apportées sans s'écarter de
l'esprit et du champ d'application des revendications
annexées.
Claims (7)
1 Bille de sorption d'isotopes de l'hydrogène, com-
prenant: 1 une coquille sphérique de poudre métallique frittée et poreuse, et 2 Une substance getter non évaporable enfermée
dans ladite coquille et comprenant un métal getter pulvéru-
lent, caractérisée en ce que la porosité de la coquille de métal suffit pour permettre la sorption d'isotopes de l'hydrogène à partir d'un mélange de gaz après activation de la substance getter non évaporable, tout en évitant la
fuite de particules libres de la substance getter.
2 Bille de sorption de tritium, comprenant: 1 une coquille sensiblement sphérique de poudre d'acier inoxydable frittée et poreuse, la coquille ayant un
diamètre compris entre 0,2 et 5 cm et une épaisseur com-
prise entre 0,5 et 2 mm, et la poudre d'acier inoxydable ayant des dimensions de particules comprises entre 40 /um et 120 /um, et 2 une substance getter non évaporable enfermée dans ladite coquille et constituée par une poudre d'acier inoxydable et comprenant un mélange fritté de zirconium pulvérulent et un agent anti-frittage choisi parmi le groupe comprenant: le C, les alliages Zr-Al, les alliages Ti-V-Fe et les alliages Zr-V-Fe, caractérisée en ce que la porosité de la coquille d'acier inoxydable suffit pour permettre la sorption du tritium à partir d'un mélange gaz rare-gaz de tritium après activation de la substance getter non évaporable tout en évitant la fuite de particules libres de substance getter
provenant de la sorption de grandes quantités de tritium.
3 Procédé de sorption des isotopes de l'hydrogène, ledit procédé comprenant la mise en contact de l'isotope d'hydrogène avec une bille de sorption d'isotopes de l'hydrogène comprenant: 1 une coquille en poudre métallique frittée et poreuse, et 2 une substance getter non évaporable enfermée
dans ladite coquille et comprenant un métal getter pulvéru-
lent, caractérisé en ce que la porosité de la coquille de métal suffit pour permettre la sorption d'isotopes de l'hydrogène après activation de la substance getter non évaporable, tout en évitant la fuite de particules libres
de la substance getter.
4 Procédé de sorption de tritium à partir d'un mélange gaz rare-tritium dans-un réacteur à fusion, ledit procédé comprenant la mise en contact du tritium avec une bille de sorption de tritium comprenant: 1 une coquille sensiblement sphérique de poudre d'acier inoxydable frittée et poreuse, la coquille ayant un diamètre compris entre 0,2 et 5 cm et une épaisseur comprise entre 0,5 et 2 mm, et la poudre d'acier inoxydable ayant des dimensions de particules comprises entre 40 /um et 120 /um, et 2 une substance getter non évaporable enfermée dans ladite coquille et constituée par une poudre d'acier inoxydable et comprenant un mélange fritté de zirconium pulvérulent et un agent anti-frittage choisi parmi le groupe comprenant: le C, les alliages Zr-Al et les alliages Ti-V-Fe ou ZrV-Fe, caractérisée en ce que la porosité de la coquille d'acier inoxydable suffit pour permettre la sorption du tritium à partir d'un mélange gaz rare-gaz de tritium après activation de la substance getter non évaporable tout en évitant la fuite de particules libres de substance getter
provenant de la sorption de grandes quantités de tritium.
Procédé pour éliminer l'hydrogène lourd d'un gaz rare contaminé par de l'hydrogène lourd, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations consistant à: 1 mettre en contact le gaz contaminé par de l'hydrogène lourd avec une bille comprenant: a) une coquille sphérique en poudre de métal fritté et poreuse, et b) une substance getter non évaporable enfermée
dans ladite coquille et comprenant un métal getter pulvé-
rulent
2 retirer les billes du gaz.
6 Procédé d'élimination de l'hydrogène d'une zone
riche en hydrogène, caractérisée par les opérations consis-
tant à: 1 faire passer les billes dans une zone riche en hydrogène, les billes comprenant: a) une coquille sphérique en poudre de métal frittée et poreuse, et b) une substance getter non évaporable enfermée
dans ladite coquille et comprenant un métal getter pulvé-
rulent, 2 mettre en contact des billes avec l'hydrogène présent dans la zone riche en hydrogène en vue de sorber l'hydrogène, 3 retirer les billes de la zone riche en hydrogène,
4 chauffer les billes pour en éliminer l'hydrogène.
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| FR2529097B1 FR2529097B1 (fr) | 1987-12-31 |
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