JP2623245B2 - 活性金属ベツド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は活性金属ベッドに関する。詳しくは、本発明
は、主としてリチウムガスを含む水素同位体の回収、貯
蔵、供給を目的とした装置に係わり、広いガス接触面積
により大きなトリチウム吸収速度を得る一方、大きな流
動抵抗やバイパス流を生ぜず、ガスを活性金属に流通せ
しめることを可能としたフィルターユニットの構成と、
同フィルターユニット内に活性金属と共に熱吸収、及び
伝導を目的とする吸熱体を封入してトリチウム吸収速度
と熱的特性ヲ向上させたことを特徴とする活性金属ベッ
ドに関する。

（従来の技術） 従来、トリチウムを含む水素同位体ガスの混合物（以
下、単にトリチウムと称する）の、純ガス、及び他のガ
スとの混合ガスからの回収には、密閉容器中にフィルタ
ーを複数段置き、そのそれぞれにウラン等の活性金属を
のせた、所謂。活性金属ベッドが用いられてきた。

これを第１図により説明すると、（１）は活性金属、
（２）はフィルター、（３）は密閉容器、（４）はヒー
ター、（５）は外側容器であって、トリチウムは活性金
属（１）の可逆的水素化反応によって吸収放出される。
純ガスのトリチウムの吸収操作においては、トリチウム
は導入管（６）より導入され、フィルターの棚（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）上の活性金属（１）に順次吸収される。
混合ガスが対象の場合では、ガスは、導入管（６）から
導出管（７）へ流通する間に、活性金属に吸収され、吸
収されない成分は導出管（７）から排出される。

この装置は、そのままトリチウムの貯蔵、供給にも使
用され、トリチウムは金属水素化物として貯蔵され、ま
たその水素化物を加熱することによって放出される。

一般に、活性金属ベッドにおいては、活性金属は、水
素化反応に伴って微粉化するので、飛散を防止するため
フィルター内に封入される。また加熱時に自重によって
焼結する恐れがあるため、フィルター内で鉛直方向にあ
まり高く充填することができない。必要なトリチウム吸
収容量を確保するためには、上記のごとく、複数段に分
けて充填し、水素化反応に伴う体積変化を吸収するため
にその上部に空間を設けることが必要である。

従って、従来の活性金属ベッドにおいては、図の
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にように、多段のフィルター
（２）の棚に活性金属を載せているが、これは、ガスの
移動に対する抵抗の大きいフィルター及び活性金属粉末
が導入管（６）から導出管（７）へ至るガス流路に沿っ
て直列に配置されており、トリチウムの吸収に際におい
て効率の悪い構造である。すなわち、導入管（６）から
入ったトリチウムの吸収される面積は当初（ａ）は円盤
下面のみであり、（ａ）が吸収を行っている時は、
（ｂ）、（ｃ）は働かない。従って、緊急にトリチウム
を回収しようとする場合等においては、活性金属の一部
しか吸収に寄与せず、回収速度が小さくなり、不都合で
ある。しかも、（ａ）がトリチウムで飽和した後は、
（ｂ）が吸収を開始するけれども、このときガスは抵抗
となる（ａ）を通らねばならない。さらに（ａ）、
（ｂ）が飽和した後は，（ｃ）へのガス移動に対して
（ａ）、（ｂ）が妨げとなる。特に、純粋の水素同位体
ガスを吸収する場合には、この効果は顕著で、回収が進
むにつれてベッド内の圧力が下がり、またフィルターや
活性金属粉末のコンダクタンスは一般に圧力が低下する
と小さくなるので、低圧でのガスの移動は著しく阻害さ
れ、吸収は遅くなる。この構造の不利な点は、ガスを流
通したときも同様であって、導入管（６）から導出管
（７）への圧力損失が大きく、ガスが流れ難くなってい
る。

また、前記のごとき活性金属ベッドでは、水素化反応
における発熱によって、活性金属の温度が上昇する欠点
がある。ベッドに用いられる活性金属は、すべて、水素
との平衡圧が温度とともに指数関数的に上昇する性質を
もっており、温度が上昇すると平衡圧が上がるため、ト
リチウムを十分に吸収しなくなる。水素化反応における
発熱は大きく、急速である一方、活性金属粉末の熱容量
は小さく、疎に充填されているので、熱伝導も悪い。こ
のため、このような活性金属ベッドでは、トリチウム吸
収時の発熱が活性金属の温度上昇をもたらし、吸収は、
トリチウム分圧がその温度で平衡圧に達した時点で停止
し、その後のトリチウムの吸収は活性金属の自然放冷に
伴い、遅い速度で進行する。

一方、ベッドをトリチウム供給に使用する際には、密
閉容器（３）をヒーターによって加熱するのであるが、
前記の活性金属ベッドでは活性金属への伝熱も良好でな
い構造となっている。活性金属の加熱に際しては、ヒー
ターの熱は、密閉容器の外壁から径方向に中心部へ向け
て、熱伝導の悪い焼結金属フィルターを長い距離にわた
って伝わらなゅればならない。しかも、フィルターから
微粉である活性金属への熱伝導も、また活性金属同士の
熱伝導も良くない。このため、トリチウムの放出までは
長時間を要し、温度制御性の悪いために、過熱して、ト
リチウム圧が過大となったり、局所的過熱によって活性
金属の焼結やヒーターの断線が起こる恐れもある。

以上の欠点は、活性金属充填量を多くしなければなら
ないトリチウム吸収容量の大きな活性金属ベッドにおい
て、特に顕著となる。活性金属充填量の多いベッドで
は、前記のように充填運の高さを大きく取れないために
充填層の段数を多くしなければならない。これを直列に
配列した時、ガスの吸収、流動に対する抵抗はさらに大
きくなる。また、ベッド構成材料のうちで、活性金属の
占める割合が多くなり、熱吸収や熱伝導に寄与する構造
材やフィルターの割合が相対的に小さくなるので、発熱
や熱伝導の問題もより深刻になる。つまり、従来用いら
れているこのような活性金属ベッドでは大容量の装置の
製作は極めて困難である。

従来使用されているこのようなベッドには、トリチウ
ム透過の面でも欠点がある。密閉容器は、トリチウム放
出に際し、高温に加熱され、このとき、中には１気圧前
後のトリチウムが存在するため、その透過は無視し得な
い量となる。このトリチウム（５）はの外側容器中に補
集されるが、これは、ガスパージ、真空排気等によっ
て、除去されねばならず、操作は煩雑であり、トリチウ
ムの損失にもなる。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、これらの欠点のない、トリチウムを
より低圧まで短時間で回収し、ガス流通に際しては圧力
損失を少なくし、加熱放出時には温度制御性が良くトリ
チウム透過の少ない活性金属ベッドを供給することにあ
る。そして、特に大容量の装置の提供を可能とせんとす
るものである。

（問題点を解決するための手段） 本願発明者は、この目的達成のため鋭意研究の結果、
活性金属を封入するフィルターの最適な配位、ヒーター
及び均熱ブロックの配置を考案し、更に、銅粒子等の吸
熱体を活性金属粉末と混合して使用することにより、熱
的特性が向上することを発想した。

すなわち、活性金属が水平方向に広くガス接触面積を
持つようにフィルターユニットを配置し、特にユニット
を複数使用する場合は、ガス流路を並列にすることによ
って、トリチウムの吸収速度の増大をはかる一方、吸熱
体を用いて活性金属粉末の水素化時における温度上昇を
抑え、加熱時にはヒーターの熱を速やかに活性金属に伝
えて温度制御特性を向上させんとするものである。

本発明に依る活性金属ベッドの装置を、一具体例につ
いて第２図によって説明する。

活性金属粉末（１）は、銅粒子等とともに、横置きし
たフィルター管（２）に、上部に隙間を生ずるように封
入し、フィルターを通して水平方向に広い面積でガスと
接触することができるようにし、さらに穴開き銅管等に
よる均熱ブロック（３）を介してヒーター（４）で加熱
できるようになっている。

回収操作において、トリチウムは、純粋なガスの場合
は、導入管（７）から容器内に導かれ、各フィルター管
（２）の下面より一斉に吸収される。トリチウムを含む
混合ガスからトリチウムを回収する場合、ガスは、導入
管（７）より導入され、各フィルター管（２）から活性
金属層を通り、フィルター管（２）の上部の隙間を通っ
てガス導出ヘッダー（９）に集められ、導出管（８）よ
り放出される。フィルター管（２）は、第３図に断面を
示すように、上面を普通の金属管にするか、或いは均熱
ブロックの管の下側のみに穴を開けることによって、フ
ィルター上面および端面から流入して活性金属を通らな
いようなバイパス流を防止する。

このような配置によって、大量の活性金属を狭い空間
に充填することができるが、充填の高さが大きくないの
で、ガスの流動抵抗や、自重による焼き締りの恐れは少
ない。また、すべての活性金属が、広い面積で、ほとん
ど同時にガスと接触するため、大きなトリチウム回収速
度を得ることができる。

活性金属と混合して用いる吸熱体は、銅等のごとき、
水素と相互作用せず、熱伝導が良く、熱容量の大きい物
質の直径1mm程度の粒子が適当である。粒子は、活性金
属粉末の水素化時における発熱を速やかに吸収い、或い
は熱をフィルターに伝えて温度上昇を抑え、活性金属全
体の温度を均一化する作用をする。この吸熱体は金属粉
末の焼結を防げる効果も期待できる。

トリチウム放出操作においては、第２図の径方向の断
面図に見られるように、束ねられた均熱ブロック（３）
の外側に巻いたヒーター（４）に通電して活性金属
（１）を加熱する。熱は、ヒーター（４）から均熱ブロ
ック（３）を通って速やかにフィルター管（２）内の活
性金属（１）に伝わる。活性金属間の熱伝導は、混合さ
れた吸熱体によって向上させる。この結果、活性金属全
体が速やかに予定された温度に加熱され、過熱の恐れは
少ない。また加熱される部分は外側容器（６）と直接に
は触れず、輻射熱は熱遮蔽板（５）によって遮断される
ので、外側容器（６）の温度はあまり上昇せず、トリチ
ウムの透過と損失が抑えられる。また従来のベッドで使
用されていた外側容器の水冷は必ずしも必要ではない。

（実施例） 実施例として、第２図の構造と類似の構造のベッドに
おける水素の吸収曲線を第４図に示す。約20の水素の
99％が60秒、99.9％が３分で回収された。フィルター管
は１本を使用し、活性金属にはZrCo金属間化合物粉末12
0gを、42〜60メッシュの銅粒350gと混合して用いた。

本発明は、第２図、及び実施例において、横置き円筒
型の容器にフィルター管を横置きしているが、フィルタ
ー面が水平方向に広いユニットさえ製作できれば、多様
な形状のベッドを得ることが可能である。第５図に、竪
置円筒型のベッドを例示する。図中、フィルターユニッ
トは、上面が金属板、下面がフィルターの中空円盤とな
っている。ヒーターの設置は横置き型の場合に比べて困
難である。

活性金属には実施例で使用したZrCoの他に、ウラン、
希土類合金、その他粉体の水素吸蔵合金はいかなるもの
でも使用できる。これと混合して用いる吸熱体は、水素
と相互作用せず、熱的特性の良いものとして、銅の外
に、アルミニウム、或いはアルミナ等の非金属も適し、
形状は粒子の外、小片、繊維状のものなどが適する。

フィルターは、目開きから焼結金属が最適である。材
料には、焼結性の外、耐熱性、化学的安定性、加工性が
要求され、現在のところステンレスが最良である。均熱
ブロックは必ずしも必要ではないが、ステンレスフィル
ターの熱伝導があまり良くないので使用が望ましい。材
料は穴開き導管が横置き円筒型フィルターユニットでは
考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来用いられていた活性金属ベッドの概略構
造図である。 図において、 （１）……活性金属粉末、（５）……外側容器 （２）……フィルター、（６）……導入管 （３）……密閉容器、（７）……導出管 （４）……ヒーター （ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれトリチウムの吸収さ
れる段の順番を表す。 第２図は、本発明の一具体例として横置き円筒型の活性
金属ベッドの概略構造を示したものである。横方向の構
造と、径方向の断面を示す。 図において、 （１）……活性金属・吸熱体、（６）……外側容器 （２）……フィルター管、（７）……導入管 （３）……均熱ブロック、（８）……導出管 （４）……ヒーター、（９）……ガス導出ヘッダー （５）……熱遮蔽板 第３図は、フィルターユニットの径方向断面を表す図で
ある。 図において、 （１）……活性金属・吸熱体 （２）……フィルター （３）……均熱ブロック （４）……金属管 均熱ブロックは、下半分だけが穴の開いた金属管であ
る。（ｂ）図において、フィルターは下半分のみであ
り、上半分の金属管に溶接されている。 第４図は、本発明による活性金属ベッドの実際の運転例
を示すグラフである。 ベッドによる水素の回収特性として、一定容量のタンク
から水素を吸収した時の圧力の時間変化を表わす。縦軸
は水素圧力及び回収率、横軸は時間である。 第５図は、本発明の他の具体例として、堅置円筒型の活
性金属粉ベッドの概略構造を示したものである。 図において、 （１）……活性金属・吸熱体、（６）……外側容器 （２）……フィルター円盤、（７）……導入管 （３）……金属ケース、（８）……導出管 （４）……ヒーター、（９）……ガス導出ヘッダー （５）……熱遮蔽板

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可逆的に水素化反応を行う活性金属粉末を
   封入した、単一、又は複数個の並列に結合された、水平
   方向に広い面を持つ焼結金属フィルターユニットと、こ
   れに取り付けたヒーターと、これらを格納する気密容器
   を具備し、水素同位体ガス吸収時においては、活性金属
   粉末の飛散を防ぎつつフィルターを通してガスを活性金
   属に接触、或いは流通させ、広いガス接触面積による大
   きな水素吸収速度とガス流通時の小さな圧力損失を得る
   とともに、水素同位体放出時においては、ヒーターによ
   りフィルターユニットのみを加熱しつつ気密容器の加熱
   と、それによる水素透過を防止することを特徴とする活
   性金属ベッド。
2. 【請求項２】該フィルターユニットに、活性金属と共に
   水素に対し不活性でかつ熱伝導の良い金属、又は非金属
   の吸熱体を封入して、水素化時の発熱を吸収伝達して活
   性金属の温度上昇を防止し、加熱時には活性金属への熱
   伝導を行って水素同位体の吸収、及び放出速度を向上さ
   せ、また活性金属同士の焼結を防止することを特徴とす
   る第１項に記載の活性金属ベッド。