JPH01160803A

JPH01160803A - トリチウム分離回収装置及びトリチウム分離回収用複合機能性分離膜

Info

Publication number: JPH01160803A
Application number: JP62316240A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Ozawa; 小澤　義弘; Masaharu Sakagami; 坂上　正治; Masayoshi Kondo; 近藤　政義
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-12-16
Filing date: 1987-12-16
Publication date: 1989-06-23
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: JP2585327B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は重水素（Ｄ）−トリチウム（Ｔ）を燃料とする
核融合炉に係り、特に増殖ブランケットで生成したトリ
チウムの回収に好適な回収装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、ブランケットで生成したトリチウムのスイープガ
ス中への放出については、日本原子力研究所レポート、
ＪＡＥＲＩ−ＭＢ２−１９４（１９８２年）において論
じられている。またトリチウム水をモレキュラーシーブ
等の吸着材を用いて回収する際回収効率を向上させるた
めに水蒸気を添加する方法が、例えば特開昭５６−１４
３９７７号に、またヘリウムガス冷却系からのトリチウ
ムの回収について特開昭５２−１４５６９７号に示され
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術ではブランケット（酸化リチウム、Ｌｉｚ
Ｏ）中でのＬｉ０Ｔの生成を防ぐため、大量のヘリウム
をスイープガスとして通気し、スイープガス中に放出さ
れたトリチウム（９５％以上Ｔ　ｚ　Ｏ１残りＴｚ）を
酸化触媒の作用で全部Ｔ　ｚ　Ｏに変換し、これをモレ
キュラーシーブ等を充填した吸湿基で回収する方式が取
られている。

この場合、回収したＴｗｏ　はトリチウム燃料として使
用するため、モレキュラーシーブから脱離した後、還元
触媒塔や、電気分解法を用いてＴＺに還元し、同位体分
離塔で精製する必要があり、装置構成が複雑になる。

本発明の目的は、大量スイープガス中のトリチウムのう
ち、Ｔ　ｚ　ＯをＴＺに還元するとともに、同一分離膜
を用いて、ＴＺを回収することにより。

深冷分離装置に直接トリチウムを供給できる装置を提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、多孔質ガラス担体膜の一方の側に還元触媒
を担持し、他方の側にトリチウム透過膜を担持すること
により、まずＴｗｏ　　をＴＺに還元し、もともとスイ
ープガス中に存在したＴＺと還元で生成したＴＺを、透
過膜中に固溶透過して、スイープガスであるヘリウム（
Ｈｅ）や、還元反応で添加した一酸化炭素（ＣＯ）や、
生成ガスである二酸化炭素（ＣＯ２）と分離し、ＴＺの
化学形で回収することにより、達成される。

〔作用〕

核融合炉のブランケット材には酸化リチウム（Ｌ　ｉ　
ｚｏ）に代表される固体状のものと、金属リチウム（Ｌ
ｉ）に代表される液体状のものがある。

現在、トリチウムの回収し易いという点で固体状Ｌｉｚ
Ｏが有望視されている。ブランケット材ではリチウム（
ＢＬｉ）が核融合プラズマ中で重水素（Ｄ）−トリチウ
ム（Ｔ）の反応で生じた中性子と反応して、トリチウム
（Ｔ）を生じる。

８Ｌ　ｉ　＋　ｎ−◆　３Ｔ＋番Ｈｅ　　　　　　　　
　　　　−−−（１）生成されたトリチウムを燃料とし
て再利用するには、効率の良い回収が必要である。その
ため大量のスイープガス（通常ヘリウム、Ｈｅ使用）を
通気し、酸化リチウム粒状ブランケット材中のトリチウ
ムをスイープガス中に移行させる。この時トリチウムの
化学形は、スイープガス中に水素を含まない場合、９０
％以上が水の形（Ｔ２Ｏ）、残りが水素の形（ＴＺ）と
言われている。スイープガス中のＴ２０濃度が高くなる
と以下の平衡反応により、酸化リチウム中でＬｉ０Ｔの
生成割合が増加する。

ＬｉｚＯ＋Ｔｚ０４２ＬｉＯＴ　　　　　　、、、（２
）ＬｉＯＴが生成すると、その物理化学的性質上。

高温でＬｉ０Ｔ蒸気、ミストを生じるため、新たにＬｉ
０Ｔ用ベーパトラツプなどを設置する必要があり、また
ブランケット材中に生成したトリチウムが残留し易くな
り、インベントリ−増加をもたらすなど、安全上好まし
くない。酸化リチウムの温度を４００〜１０００℃の比
較的高温に保ち。

かつスイープガス中のＴ２ｏ濃度を５０Ｖｐｐｍ以下に
すると、Ｌｉ０Ｔの生成を防止できることが確認されて
いる。（参考　日本原子力研究所レポートＪＡＥＲＩ−
ＭＢ２−１９４　（１９８２年）なおスイープガスとし
ては通常ヘリウムガス、Ｈｅが使用されている。スイー
プガス中に放出されたトリチウムの化学形は９０％以上
がＴＺ０であり、一部Ｔ２になっている。

従来のブランケット系トリチウム回収システムでは、ヘ
リウムガス中に移行したトリチウムは、ｐｔ−アルミナ
等の貴金属触媒の作用で、ＴＺをＴｗｏ　に酸化させた
後、もともとスイープガス中にＴ　２０　として放出さ
れたトリチウムと一諸に、モレキュラーシーブ吸着材に
水の形で吸着させて回収する。この時、ヘリウムは吸着
されず、再度ブランケット材に循環される。大量のスイ
ープガスを使用するので、モレキュラーシーブ吸着塔は
大容量なものにならざるを得ない。すなわち、核融合反
応出力約４００ＭＷ級の核融合実験炉クラスでスイープ
ガス流量は２００〜３００　Ｎ　ｒｎ’　／　ｈ、実用
炉３２００ＭＷ級で約２０００　ｒｎ’　／　ｈになる
。

いったん、モレキュラーシーブで回収したトリチウムは
、燃料として供給できる化学形にするため、次に、還元
触媒、あるいは固体電解質膜を利用した電気分解法（特
開昭５９−１７４５０３号）により、Ｔｚの化学形に変
換した後、深冷分離塔により精製する必要がある。

本発明の特徴は、ＴｚＣ）ｔｔＴｚに還元されるととも
に同時に、ヘリウム等のスイープガスとＴｚを分離させ
る機能をもたせた複合機能性分離膜を用いることにより
、スイープガス中のトリチウムを、後の精製が容易な水
素ガスの化学形で分離回収することにある。この結果、
従来のようなＴｚ　　　゛の酸化−Ｔ　２０　回収−Ｔ
ｚＯの還元のような複雑な工程を簡略にすることが可能
になる。本発明は、ブランケット材中のトリチウムの回
収系に限定されるものでなく、炉室等に放出させたトリ
チウムの回収などのように、安全上必要機器にも適用可
能である。この場合、スイープガスであるヘリウムに対
し、空気等の雰囲気ガスからのトリチウムの回収になる
。

次に複合機能性分離膜の作用について詳述する。

多孔質ガラス膜担体の一方の側に、還元触媒を担持し、
他方の側に水素透過膜を被膜する。多孔性ガラス膜は、
その製造時の焼成条件にもよるが、その比表面積が〜Ｌ
ｏｏｍ／ｇと大きく、かつその細孔容積も〜０　、３　
ｃｃ　／　ｇ　　と大きく、還元触媒である酸化銅（Ｉ
Ｉ）（Ｃｕｂ）　、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）、酸化
クロム（ｍ）（Ｃｒｚｏａ）等の触媒を担持するのに好
適である。多孔質ガラスは平均細孔径〜４０人程度であ
り、還元触媒が担持しても、その細孔の流路は十分確保
できる。還元触媒上でＴ２ＯｔｔＴｚに還元する。この
場合（３）式に示すように、還元性ガスとして一酸化炭
素が必要である。

Ｔ　２０　＋　Ｇ　Ｏ−→Ｔ　２＋　ＣＯ２・・・（３
）還元温度は約１８０℃であり、多孔質ガラス担体の最
高使用温度約８００℃に比べ十分低く問題ない。生成し
たＴｚ及びもともとスイープガス中に存在していたＴｚ
は多孔質ガラスの細孔内を拡散する。この時、スイープ
ガスであるヘリウム、反応ガスであるＣＯ１生成ガスで
あるＣＯ２も同様に細孔内を拡散するが、多孔質ガラス
の他方の側に薄い水素透過膜を担持させておくことによ
って、水素ガスの化学形であるＴｚのみを水素透過膜中
に同容し、拡散させて、他のヘリウム、ＣＯ。

ＣＯｚガスと分離できる。この時Ｔｚの透過量Ｊは（４
）式で表わされる。

ここで、Ｊ：Ｔｚ透過量（ｗｏｎ／ｈ）　、Ａ；水素透
過膜の表面積（ａＪ）　、ｄ　；水素透過膜の厚さ〔■
）、Ｐｌ、Ｐ２　’、−次側、二次側水素分圧（ＫＰａ
）　、Ｑ；水素透過膜のトリチウム透過係数〔ＩＩＩｏ
Ｑ−ａＩＩ／ａｌ−Ｉｌｉｎ−ＫＰａＴ〕で、温度の関
数として、パラジムウ膜の場合の透過係数は（５）式％
式％したがって、トリチウムの透過量を増加させるには、透
過面積Ａを大きくとるか、温度を上げて、ＱＴを大きく
することが考えられる。しかし、これらの方法は、透過
膜の大型化、あるいは温度を上げると、容器壁を通して
のトリチウムの外部への漏洩等の問題が生じ好ましくな
い。そこで、本発明では、多孔質ガラス担体に薄い水素
透過膜、例えば、パラジウム、あるいはパラジウム合金
膜やニッケル膜を厚さ数μｍに担持することによって解
決できる。この場合、水素透過膜が不完全であると、ス
イープガスであるヘリウム等も一諸に透過してしまうの
で、均質の膜を担持することが重要になる。

［実施例〕〔実施例１〕以下１本発明の一実施例を第１図により説明する。核融
合炉のブランケット材に酸化リチウム、Ｌｉ２Ｏの球状
ペレット（約１ｍφ）が、増殖ブランケット部２に充填
される。核融合炉心部１で、Ｐ−Ｔ反応により中性子が
生成し、この中性子がブランケット材であるＬｉｘＯ中
の６Ｌｉと反応してトリチウム、３Ｔ　と’Ｈｅを生成
する。ブランケット材中のトリチウムをガス中に放出す
るため、スイープガスを増殖ブランケット部２に送気す
る。スイープガスが水素を含まない不活性ガスの場合、
放出されたトリチウムの化学形は９０％以上がＴｚ０で
あり、残りがＴｚである２核反応出力が約４００ＭＷの
核融合実験炉クラスでは、スイープガスであるヘリウム
中のＴ　ｘ　Ｏ濃度を５０Ｖｐｐｍ以下にし、プロセス
上問題の多いＬｉ０Ｔの生成を防ぐ必要上、約２００　
Ｎｒｒｉ’／ｈのＨｅガスを、循環ポンプ４の作用で、
増殖ブランケット部２に通気する。増殖ブランケット部
２には多数の冷却水配管（図示せず）が酸化リチウムペ
レット充填層に挿入されており、増殖ブランケット部２
の冷却と、かつ高温水による外部へのエネルギー伝達を
兼ねている。ペレット充填部では直径的１ｍｍφのペレ
ットの間隙を、Ｈｅガスが流れ、ペレット表面からＴｚ
０　、Ｔｚを脱離させる。増殖ブランケット部２を出た
、トリチウムを含むＨｅガスは冷却器５の働きで２００
℃前後の温度に冷却される。ついで複合機能性分離膜部
３に導びき、還元作用を持つ一酸化炭素、ＣＯをＣＯ供
給部７から供給しＴｚ０　　をＴｚに還元すると同時に
、水素透過被膜の働きでＴｚを真空側に透過させる。真
空排気系９の前に、水素吸蔵合金からなる１゛２ゲツタ
８を設け、Ｔｚを吸収する。

このＴ２ゲッタ８を複数個設けることにより、低温でＴ
ｚを吸収し、高温でＴｚを脱離して、次の深冷分離塔（
図示せず）などの同位体分離装置で精製して、トリチウ
ム燃料として供給する。Ｔ２ゲッターのかわりに、液体
ヘリウム冷却による凝縮器でも良い。スイープガス中に
一酸化炭素ＣＯ及び還元反応で生成する二酸化炭素が蓄
積してくるので、スイープガスの一部をバイパスして、
４人前後の細孔径を持つモレキュラーシーブを用いて過
剰のｃｏ及びＣＯｚを除去するために、スイープガス浄
化系６を設ける。この時、分子径の小さなヘリウムや、
複合機能性分離膜部３で除去されなかった。ＴｚＯある
いはＴｚは、このスイープガス浄化系６では除去されず
に増殖ブランケット部２にもどることになり、トリチウ
ム損失はない。

第２図に複合機能性分離膜部３の膜断面の模式図を示す
。多孔質ガラス膜担体は、二酸化ケイ素５ｉ（）ｚを主
成分とする厚さ約１ｍで、約５０人の平均細孔径の貫通
孔を持つ、その一方の側に、還元触媒として、Ｃｕｂ、
ＺｒＯ，Ｃｒ２０ａの混合物を多孔質ガラス担体との重
量化で約５％担持する。担持方法としては、Ｃｕ、Ｚｒ
、Ｃｒイオンを含む酸性水溶液を多孔質ガラス担体の一
方の側から含浸させ、次いで、アンモニア水等のアルカ
リ水溶液を含浸させ、細孔内で水酸化物として担持させ
た後、５００〜８００℃の高温で、還元雰囲気で焼成す
ることにより作成する。なお、前記還元触媒には三元系
の例を述べたが、還元性の触媒の性質を持つものなら良
く一元系あるいは二元系でも良い。多孔質ガラス膜担体
の他方の側には、トリチウムを固溶して拡散、透過させ
る性質を持つパラジウム、Ｐｄで担持被覆した。担持方
法としては蒸着法を採用したが１例えば塩化パラジウム
、ＰｄＣＱ２水溶液を含浸させた後、約６００℃で熱分
解しても良い。

スイープガス中のＴ２０濃度、ｓ　ｏ　ＶＰＰｍに対し
２〜３倍の濃度のＣＯガス共存下で温度２００°Ｃの条
件で前記複合機能性分離膜部３に通気した場合、９９％
以上のＴ　ｚ　ＯがＴｚに変換した。スイープガス２０
ＯＮｍ／ｈの処借景に対し、５０Ｖ　ｐｐｍのトリチウ
ムが存在した場合、はぼ全量がＴｚになるとして良い。

この場Ｔ２透過必要面積を算出すると、温度２００℃、
Ｐｄ被膜層の厚さ１×１０″″’ＣＩｌ＋とすると、最
小必要面積は（４）。

（５）式をもとに計算すると３２００ｃｎになる。この
値は、多管式の複合機能分離膜管を用いれば容易にコン
パクト化可能である。第３図に複合機能分離膜管を用い
た場合の模式図を示すが、前記、透過面積を持つには、
内径１　ｃｍ　、長さ５０ａｎの管を３０本で構成すれ
ば、Ｔ２．透過に対し必要最小限の１．５倍の透過能力
を持つことになる。

本実施例では、ブランケット系におけるトリチウム回収
系について述べたが、ブランケット系に限定されるもの
でなく、核融合炉のプラズマ容器等をおさめた炉室、あ
るいはトリチウム取扱施設では、修理あるいは事故時に
トリチウムが室内に放出された場合の、トリチウム回収
安全系にも適用可能である。この場合、ヘリウムガスの
かわりに、雰囲気ガスである空気からのトリチウムの回
収装置になるが、トリチウムの化学形は、ＴＺＯ。

Ｔ２だけでなく、ＨＴＯ，ＨＤ○、ＤＴ、ＨＴ等。

水素２重水素と結びついたものになるが、水彩と水素ガ
ス形であり、水への還元、水素ガスの透過という点で、
ＴＺＯ、Ｔ２とほぼ同じと考えて良い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、複合機能性分離膜の作用により、トリ
チウムの水素形への還元および透過による共存ガスとの
分離を、一つの分離膜装置で行なわせることかでき、プ
ロセスの簡略化を可能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明である核融合ブランケット系のトリチウ
ム回収装置の基本フローを示した図である。第２図は複
合機能性分離膜部断面の模式図、第３図は複合機能性分
離膜を多管群として使用した場合の図である。１・・・核融合炉心部、２・・・増殖ブランケット部、
３・・・複合機能性分離膜部、４・・・循環ポンプ、５
・・・冷却器、６・・・スイープガス浄化系、７・・・
Ｃ○供給部。８・・・Ｔ２ゲッタ、９・・・真空排気系、１１・・・
多孔性ガラス担体、１２・・・還元触媒担持層、１３・
・・透過膜層、２１・・・複合機能性分離膜管、２２・
・・胴側部。２３・・・スイープガス入口部、２４・・・スイープガ
ス率２図

Claims

【特許請求の範囲】１、大量ガス中のトリチウムを回収するにあたつて、還
元機能と水素形のトリチウム透過機能を持つ複合機能性
分離膜を介して、水の化学形で存在するトリチウムを水
素の化学形に還元すると同時に、水素の化学形のトリチ
ウムを金属および金属合金中を透過させて共存ガスと分
離し、トリチウムを水素の化学形で回収することを特徴
とするトリチウム分離回収装置。２、核融合炉ブランケット系のスイープガス循環系に設
けられた還元機能と水素形のトリチウム透過機能を持つ
複合機能性分離膜と、前記循環系に設けられ、かつ前記
複合機能性能分離膜の前に設けられた還元ガス供給部と
、前記複合機能性分離膜を通してトリチウムを水素の化
学形で回収する手段と、前記循環系の前記複合機能性分
離膜の後に設けられ、トリチウムの水素の化学形が分離
されたガス中の還元ガスと生成ガスを除去するスイープ
ガス浄化系とより構成されることを特徴とするトリチウ
ム分離回収装置。３、トリチウム分離回収用の複合機能性分離膜であつて
、多孔質ガラス担体の一方の側に還元触媒層を、他方の
側に水素形トリチウムを透過する性質を持つ金属、ある
いは金属合金の層を担持することを特徴とするトリチウ
ム分離回収用複合機能性分離膜。