JP3023963B2 - 水素同位体分離方法及びそのための熱拡散塔 - Google Patents
水素同位体分離方法及びそのための熱拡散塔Info
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- JP3023963B2 JP3023963B2 JP2005762A JP576290A JP3023963B2 JP 3023963 B2 JP3023963 B2 JP 3023963B2 JP 2005762 A JP2005762 A JP 2005762A JP 576290 A JP576290 A JP 576290A JP 3023963 B2 JP3023963 B2 JP 3023963B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は水素中のトリチウム等の同位体の分離に関
し、特に対向配置された温壁と冷壁を利用した同位体分
離（濃縮）の方法とそれを実施するための熱拡散塔に関
する。
し、特に対向配置された温壁と冷壁を利用した同位体分
離（濃縮）の方法とそれを実施するための熱拡散塔に関
する。
［従来の技術］ ガス分子（原子を含む）は有限温度において熱運動を
している。運動エネルギEkはEk＝（1/2）mv2と表わせ
る。ここで、ｍは分子の質量、ｖは分子の速さである。
トリチウム（Ｔ）を含む水素ガスの場合、水素分子H2の
質量m1は約２であるのに対し、トリチウムと水素からな
る分子HTの質量m2は約４（１＋３）＝４となる。このた
め、同一温度におけるH2分子とHT分子の持つ熱運動の平
均速度は大きく異なる。また、温度が変わると平均速度
も変化する。このため、温度勾配を形成すると、質量の
異なるガス分子の分布は異なるものとなる。この現象を
利用して同位体を分離（濃縮）することが可能である。
している。運動エネルギEkはEk＝（1/2）mv2と表わせ
る。ここで、ｍは分子の質量、ｖは分子の速さである。
トリチウム（Ｔ）を含む水素ガスの場合、水素分子H2の
質量m1は約２であるのに対し、トリチウムと水素からな
る分子HTの質量m2は約４（１＋３）＝４となる。このた
め、同一温度におけるH2分子とHT分子の持つ熱運動の平
均速度は大きく異なる。また、温度が変わると平均速度
も変化する。このため、温度勾配を形成すると、質量の
異なるガス分子の分布は異なるものとなる。この現象を
利用して同位体を分離（濃縮）することが可能である。
以上述べた同位体分離を行うものとして熱拡散塔があ
る。
る。
細長い塔を重力場の中で鉛直に立て、塔中心に熱線を
張り、高温に加熱すると共に塔壁は水冷して常温付近の
温度に保つ。このようにして、半径方向に温度勾配を形
成してガス分子の熱拡散と対流を生じさせる。半径方向
の温度勾配下での熱拡散によって、軽い分子であるH2の
分布と比較して、重い分子であるHTは高温部で欠乏して
平均温度以下になり、低温部で集中して平均濃度以上に
なる。すなわち、塔中央はHTの濃度が低く、塔壁付近は
HTの濃度が高くなる。塔中央の高温ガスは上方へ、塔壁
付近の比較的低温のガスは下方へと対流を起こして移動
する。そこで、下方でガスを回収すると、HTの濃度が高
いガスが得られ、上方で回収したガスにはHTの濃度が低
い。
張り、高温に加熱すると共に塔壁は水冷して常温付近の
温度に保つ。このようにして、半径方向に温度勾配を形
成してガス分子の熱拡散と対流を生じさせる。半径方向
の温度勾配下での熱拡散によって、軽い分子であるH2の
分布と比較して、重い分子であるHTは高温部で欠乏して
平均温度以下になり、低温部で集中して平均濃度以上に
なる。すなわち、塔中央はHTの濃度が低く、塔壁付近は
HTの濃度が高くなる。塔中央の高温ガスは上方へ、塔壁
付近の比較的低温のガスは下方へと対流を起こして移動
する。そこで、下方でガスを回収すると、HTの濃度が高
いガスが得られ、上方で回収したガスにはHTの濃度が低
い。
［発明が解決しようとする課題］ 温度勾配を利用した同位体の分離技術において、同位
体分離の効率を向上させることが期待されている。
体分離の効率を向上させることが期待されている。
本発明の目的は、同位体の分離効率を向上させた同位
体分離方法を提供することである。
体分離方法を提供することである。
本発明の他の目的は、同位体分離効率を向上させるこ
とのできる熱拡散塔を提供することである。
とのできる熱拡散塔を提供することである。
［課題を解決するための手段］ 従来は、熱線を利用して温度勾配を形成し、外壁の温
度が上昇するのを防止するために水冷を行って常温付近
に維持していた。
度が上昇するのを防止するために水冷を行って常温付近
に維持していた。
本発明は、温壁を加熱によって常温以上の高温にする
と共に、冷壁を液体窒素によって液体窒素温度に冷却す
る。
と共に、冷壁を液体窒素によって液体窒素温度に冷却す
る。
熱拡散塔の中央部に抵抗加熱体を配置し、周囲を反応
容器で囲み、反応容器の外側に液体窒素通路を形成し、
液体窒素源から液体窒素通路に液体窒素を供給する構成
とする。
容器で囲み、反応容器の外側に液体窒素通路を形成し、
液体窒素源から液体窒素通路に液体窒素を供給する構成
とする。
［作用］ 従来の熱拡散塔の温度勾配は、加熱によって形成され
ていた。
ていた。
温度勾配を加熱と液体窒素による冷却の両方によって
形成することにより、温度差が大きく、低温の温度が低
い温度勾配を形成することができる。分離係数の近似式
において、冷壁の温度は指数関数の分母に入り、温度差
は分子に入る。従って、冷壁の温度が低くなると、同じ
温度差であってもその効果は著しく増大する。
形成することにより、温度差が大きく、低温の温度が低
い温度勾配を形成することができる。分離係数の近似式
において、冷壁の温度は指数関数の分母に入り、温度差
は分子に入る。従って、冷壁の温度が低くなると、同じ
温度差であってもその効果は著しく増大する。
［実施例］ 第１図に本発明の実施例による熱拡散塔を示す。熱拡
散塔は、鉛直方法に配置された細長い反応容器１を有す
る。たとえば、反応容器１は、直径が約1.5cmで長さが1
50cmの寸法を有する。反応容器１は、硬質ガラス、石英
ガラス、ステンレス、無酸素銅等の材料で作られた気密
管状容器である。反応容器１の中央軸に沿って、熱線が
配置されている。この熱線は、反応容器１の上壁および
下壁上に設けられた上部電極４および下部電極５に電気
的に接続されている。なお、熱線２の下端には重り６が
取り付けられ、熱線２が熱膨張をした時にも、熱線２を
張った状態に維持する。また、重り６の下には銅コイル
等のスプリング７が設けられており、熱線２が熱伸縮す
ることによる伸び縮みを吸収する。熱線２は、たとえば
タングステン、白金、ニクロム等の抵抗体で形成された
ワイヤであり、1000℃以上に加熱できるように設計され
ている。ワイヤはたとえば半径150μｍの寸法である。
散塔は、鉛直方法に配置された細長い反応容器１を有す
る。たとえば、反応容器１は、直径が約1.5cmで長さが1
50cmの寸法を有する。反応容器１は、硬質ガラス、石英
ガラス、ステンレス、無酸素銅等の材料で作られた気密
管状容器である。反応容器１の中央軸に沿って、熱線が
配置されている。この熱線は、反応容器１の上壁および
下壁上に設けられた上部電極４および下部電極５に電気
的に接続されている。なお、熱線２の下端には重り６が
取り付けられ、熱線２が熱膨張をした時にも、熱線２を
張った状態に維持する。また、重り６の下には銅コイル
等のスプリング７が設けられており、熱線２が熱伸縮す
ることによる伸び縮みを吸収する。熱線２は、たとえば
タングステン、白金、ニクロム等の抵抗体で形成された
ワイヤであり、1000℃以上に加熱できるように設計され
ている。ワイヤはたとえば半径150μｍの寸法である。
また、熱線２を反応容器１の中央部に配置するため
に、熱線２の全長の途中にスペーサ12が設けられ、反応
容器１の壁と熱線２との距離を均等に保つようにしてい
る。このスペーサ12は反応容器１内での気体の流れを妨
げないように、たとえば十字型等に設計される。
に、熱線２の全長の途中にスペーサ12が設けられ、反応
容器１の壁と熱線２との距離を均等に保つようにしてい
る。このスペーサ12は反応容器１内での気体の流れを妨
げないように、たとえば十字型等に設計される。
また、この熱線２と反応容器１の接続部には絶縁材
料、碍子等が設けられており、反応容器１が金属製であ
っても、熱線２から電気的に分離されている。寒剤ジャ
ケット３は反応容器１と同様の材料で形成されており、
反応容器１の外壁との間に寒剤を収容するジャケットを
形成する。寒剤としては、液体窒素を用いる。寒剤ジャ
ケット３の下端には寒剤入り口９が設けられており、寒
剤源８に接続されている。また，寒剤ジャケット３の上
端には寒剤出口10が設けられており、反応容器１の外壁
で熱せられた寒剤の排出口を形成する。また、必要に応
じて寒剤出口10を寒剤源８に寒剤循環路16で結び、寒剤
を循環再使用する。
料、碍子等が設けられており、反応容器１が金属製であ
っても、熱線２から電気的に分離されている。寒剤ジャ
ケット３は反応容器１と同様の材料で形成されており、
反応容器１の外壁との間に寒剤を収容するジャケットを
形成する。寒剤としては、液体窒素を用いる。寒剤ジャ
ケット３の下端には寒剤入り口９が設けられており、寒
剤源８に接続されている。また，寒剤ジャケット３の上
端には寒剤出口10が設けられており、反応容器１の外壁
で熱せられた寒剤の排出口を形成する。また、必要に応
じて寒剤出口10を寒剤源８に寒剤循環路16で結び、寒剤
を循環再使用する。
反応容器１には処理ガス出入口14が設けられており、
トリチウムを含む水素等の処理ガスが、この処理ガス出
入口14を介して反応容器１内に供給回収される。
トリチウムを含む水素等の処理ガスが、この処理ガス出
入口14を介して反応容器１内に供給回収される。
本実施例による熱拡散塔を用いて、トリチウムを含む
水素ガスの分離を行う場合を以下に説明する。
水素ガスの分離を行う場合を以下に説明する。
熱線２に上部電極４、下部電極５を介して所望の電流
を流し、熱線２を1000℃以上の温度に加熱する。また、
液体窒素タンク８から液体窒素を圧送し、寒剤ジャケッ
ト３の内部を液体窒素で充填する。反応容器１内を排気
した後、トリチウムを含む水素ガスを反応容器１内に加
圧装置を介して所定圧力で供給する。反応容器１内に充
填されたトリチウムを含む水素ガスは、熱線と反応容器
１の外壁との間の温度勾配によって、半径方向に拡散分
離し、熱線２の周囲中央部にトリチウムの少ない水素ガ
ス、外壁の近傍にトリチウムの多い水素ガスが分離され
る。これらの分離されたガスは熱膨張に応じた比重によ
ってそれぞれ上下に移動するので、反応容器１上部には
トリチウムの少ない水素ガスが溜まり、反応容器１の下
部にはトリチウムの濃縮された水素ガスが溜まる。下部
に溜まったガスを回収することにより、トリチウムが濃
縮された水素ガスを回収することができる。回収したト
リチウム濃縮水素ガスを再び拡散分離することによっ
て、水素ガス中のトリチウム濃度を徐々に濃縮すること
ができる。
を流し、熱線２を1000℃以上の温度に加熱する。また、
液体窒素タンク８から液体窒素を圧送し、寒剤ジャケッ
ト３の内部を液体窒素で充填する。反応容器１内を排気
した後、トリチウムを含む水素ガスを反応容器１内に加
圧装置を介して所定圧力で供給する。反応容器１内に充
填されたトリチウムを含む水素ガスは、熱線と反応容器
１の外壁との間の温度勾配によって、半径方向に拡散分
離し、熱線２の周囲中央部にトリチウムの少ない水素ガ
ス、外壁の近傍にトリチウムの多い水素ガスが分離され
る。これらの分離されたガスは熱膨張に応じた比重によ
ってそれぞれ上下に移動するので、反応容器１上部には
トリチウムの少ない水素ガスが溜まり、反応容器１の下
部にはトリチウムの濃縮された水素ガスが溜まる。下部
に溜まったガスを回収することにより、トリチウムが濃
縮された水素ガスを回収することができる。回収したト
リチウム濃縮水素ガスを再び拡散分離することによっ
て、水素ガス中のトリチウム濃度を徐々に濃縮すること
ができる。
ここで、熱拡散塔の全還流運転で得られる最大分離係
数（αβ）maxは、以下の式で表わされる。
数（αβ）maxは、以下の式で表わされる。
ここで、熱線の温度をTh、反応容器の外壁の温度をTc
とすると、 ΔＴ＝Th−Tc δ＝rh/rc、 rh:熱線２の半径 rc:反応容器１の半径 αT:熱拡散ファクタ （Ｚ）＝Z/rc:規格化した塔高さ である。
とすると、 ΔＴ＝Th−Tc δ＝rh/rc、 rh:熱線２の半径 rc:反応容器１の半径 αT:熱拡散ファクタ （Ｚ）＝Z/rc:規格化した塔高さ である。
すなわち、分離係数αβは、ΔT/Tcに指数関数的に依
存している。ここで、Tcが常温であれば、Tcは約300゜K
であり、Tcを液体窒素温度（77゜K）とすると、Tcは常
温の約1/4となる。
存している。ここで、Tcが常温であれば、Tcは約300゜K
であり、Tcを液体窒素温度（77゜K）とすると、Tcは常
温の約1/4となる。
第２図に冷壁温度Tcを77.35゜K、温度差を1000゜Kと
した時のガス圧力に対する分離係数を示す。分離係数α
βとして最大約885の値が得られる。
した時のガス圧力に対する分離係数を示す。分離係数α
βとして最大約885の値が得られる。
第３図（Ｃ）は、比較のための従来の技術による分離
係数を示す。冷壁温度Tcが288.15℃である他は同一条件
である。この時の分離係数は最大約63.4である。すなわ
ち、本実施例の場合、分離係数は１桁以上改善される。
反応容器１の外壁の温度を常温に保ったまま同等の効果
を上げようとすると、上述の簡単化した近似において
は、温度差ΔＴ＝2430゜Kが必要となる。このような高
温を実現するには、熱線材料が極めて限定される他、電
源、安全対策等に種々の対策を必要とする。さらに、実
際上はこのような低温を使用しても簡単な近似から期待
される効果は得られない。それは、αＴの値は低温域で
小さくなる、αβには冷壁の温度の代りに温壁と冷壁の
温度の平均温度が関係し、温壁の温度を増大させると、
式中の冷壁の温度で表わされた部分も上昇すること、等
による。
係数を示す。冷壁温度Tcが288.15℃である他は同一条件
である。この時の分離係数は最大約63.4である。すなわ
ち、本実施例の場合、分離係数は１桁以上改善される。
反応容器１の外壁の温度を常温に保ったまま同等の効果
を上げようとすると、上述の簡単化した近似において
は、温度差ΔＴ＝2430゜Kが必要となる。このような高
温を実現するには、熱線材料が極めて限定される他、電
源、安全対策等に種々の対策を必要とする。さらに、実
際上はこのような低温を使用しても簡単な近似から期待
される効果は得られない。それは、αＴの値は低温域で
小さくなる、αβには冷壁の温度の代りに温壁と冷壁の
温度の平均温度が関係し、温壁の温度を増大させると、
式中の冷壁の温度で表わされた部分も上昇すること、等
による。
また、熱拡散塔の最適圧力の冷媒を用いて外壁の温度
を冷却した場合には、低い圧力が最適圧力となるのに対
し、温壁の温度を増大させることによって温度差を設け
ると、最適圧力も高い値となり、構造上高い強度が必要
となってしまう。
を冷却した場合には、低い圧力が最適圧力となるのに対
し、温壁の温度を増大させることによって温度差を設け
ると、最適圧力も高い値となり、構造上高い強度が必要
となってしまう。
以上説明したように、温壁を高温に加熱すると共に冷
壁を液体窒素温度に冷却することにより、冷壁を常温付
近に保ちつつ温壁を高温に加熱する従来の技術では得ら
れなかった著しい効果が得られる。
壁を液体窒素温度に冷却することにより、冷壁を常温付
近に保ちつつ温壁を高温に加熱する従来の技術では得ら
れなかった著しい効果が得られる。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこ
れらに制限されるものではない。たとえば、種々の変
更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明で
あろう。
れらに制限されるものではない。たとえば、種々の変
更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明で
あろう。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、温度勾配を形
成する低温側温度として液体窒素温度を採用することに
より、分離係数を著しく増大することができる。
成する低温側温度として液体窒素温度を採用することに
より、分離係数を著しく増大することができる。
また、高い分離係数を実現しつつ熱拡散塔を安全に運
転することが容易になる。
転することが容易になる。
第１図は本発明の実施例による熱拡散塔を概略的に示す
断面図、 第２図は実施例による分離係数の１例を示すグラフ、 第３図は従来の技術による分離係数の１例を示すグラフ
である。 図において、 １……反応容器 ２……熱線 ３……寒剤ジャケット ４……上部電極 ５……下部電極 ６……重り ７……スプリング ８……寒剤源 ９……寒剤入口 10……寒剤出口 12……スペーサ 14……処理ガス出入口 16……寒剤循環路
断面図、 第２図は実施例による分離係数の１例を示すグラフ、 第３図は従来の技術による分離係数の１例を示すグラフ
である。 図において、 １……反応容器 ２……熱線 ３……寒剤ジャケット ４……上部電極 ５……下部電極 ６……重り ７……スプリング ８……寒剤源 ９……寒剤入口 10……寒剤出口 12……スペーサ 14……処理ガス出入口 16……寒剤循環路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 一良 愛知県名古屋市名東区藤森２―２ エク セレンス本郷102 (72)発明者 金川 昭 愛知県名古屋市天白区表台53 (56)参考文献 特開 昭62−227428（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−152630（ＪＰ，Ｕ)
Claims (2)
- 【請求項１】冷壁と温壁間に同位体を含む水素ガスを流
し、同位体を分離する方法において、 温壁に熱を与えて常温以上に加熱すると共に冷壁を液体
窒素を用いて液体窒素温度に冷却することを特徴とする
水素ガス分離方法。 - 【請求項２】低温に耐えることのできる材料で形成さ
れ、水素ガスを気密に収容することができる鉛直方向に
長い反応容器と、 該反応容器の中央部に鉛直に配置された抵抗加熱体と、 該反応容器を囲んで液体窒素通路を形成する外壁と、 該液体窒素通路に液体窒素を供給する液体窒素源と を有する水素同位体分離用熱拡散塔。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005762A JP3023963B2 (ja) | 1990-01-12 | 1990-01-12 | 水素同位体分離方法及びそのための熱拡散塔 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005762A JP3023963B2 (ja) | 1990-01-12 | 1990-01-12 | 水素同位体分離方法及びそのための熱拡散塔 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03213127A JPH03213127A (ja) | 1991-09-18 |
| JP3023963B2 true JP3023963B2 (ja) | 2000-03-21 |
Family
ID=11620142
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005762A Expired - Fee Related JP3023963B2 (ja) | 1990-01-12 | 1990-01-12 | 水素同位体分離方法及びそのための熱拡散塔 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3023963B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6967255B2 (ja) * | 2016-05-31 | 2021-11-17 | 学校法人東海大学 | 水素同位体を含む水の分離方法 |
-
1990
- 1990-01-12 JP JP2005762A patent/JP3023963B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03213127A (ja) | 1991-09-18 |
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