JPH02207825A - 水素同位体の分離、固定、供給装置 - Google Patents

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〕 本発明は混合ガス中の水素同位体ガスの分離に係り、特
に１分離後の水素同位体を固定後、供給するのに好適な
水素同位体の固定、供給装置に関する。

〔従来の技術〕

トリチウム（Ｔｚ）、重水素（Ｄ２）は水素の同位体で
、特に、トリチウムは半減期が約１２年の放射性物質で
あり、その物理的、及び、化学的性質は通常の水素（Ｈ
２）と類似している。このトリチウムは核融合炉の燃料
となる物質である。核融合炉では炉内に注入されたトリ
チウムが未反応のまま放出される比率が極めて高いため
、これを回収し炉内へ再注入する技術が不可欠である。

核融合炉におけるトリチウムの流れは１例えば、第４図
に示すような流れとなっており、未反応のトリチウムは
種々の核融合副生成物が混入した混合ガスとともに排気
系によって炉内から取出され、精製糸、および、同位体
分離系を経て回収される。

このトリチウムの分離回収には従来より、例えば、第５
図に示すような触媒燃焼方式等が用いられている。すな
わち、第５図において、トリチウムを含んだ混合ガス５
１は触媒燃焼装置５２によってガス中のトリチウムが酸
素（Ｏｚ）５０と結合された後、気液分離装置５３によ
って液体と気体に分離され、トリチウム水（Ｔ２Ｏ）の
形で貯蔵容器５４に貯蔵される。また、気液分離装置５
３で液体と分離された気体はガス成分吸着装置５５によ
って処理された後、大気へ放出される。貯蔵されたＴ２
．Ｏは一酸化炭素（Ｃ○）によりＴ２に還元されて次の
同位体分離系に送られ、Ｄ２と分離して、Ｔ２．Ｄ２そ
れぞれ水素吸蔵合金充填層等からなる貯蔵系を経て、プ
ラズマに供給される。触媒燃焼方式のかわりに、混合ガ
ス中の主要成分であるＴ２．Ｄ２を選択的に璃過するパ
ラジウム合金膜等を利用して不純物ガスと分離し、大部
分のＴ２゜Ｄ！、Ｈ２を酸化物（Ｔｗｏ、ＤｚＯ）の形
を経由しないで分離し、ついで液化蒸留法により、Ｔ２
゜Ｄ２．Ｈｚを分離する方法が考えられている。

しかし、前述の二つの方法では、いずれも液化蒸留法を
経由するが、液化蒸留法では水素同位体を液状にして沸
点の差を利用して分離するため、トリチウムインベント
リが必然的に大きくなるという問題が生じている。

〔発明が、解決しようとする課題〕

上記従来技術は１〜リチウムインベントリの点について
考慮が不十分であった。

本発明の目的は、トリチウムインベントリを減少させる
ためガス状のままで、トリチウムを他の重水素、水素等
の同位体と分離し、かつ、連続的に供給できる装置を提
供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的はトリチウムと重水素等の同位体分離にトリチ
ウムを選択的に励起イオン化するイオン化装置と、イオ
ン化したトリチウムを引き出すイオン引き出し装置と、
トリチウムを連続的に貯蔵。

供給するための貯蔵供給装置とにより達成される。

〔作用〕

上記構成を特徴とする本発明によれば、次のような作用
が得られる。

（１）混合ガスの中からトリチウムを取り出す手段とし
て選択励起イオン化装置とイオン引き出し装置、及び、
貯蔵供給装置を用い、トリチウムを液体の形を経由しな
いで重水素や他の不純物ガスと分離回収することができ
る。

（２）液化蒸留法を使用しなくて良いため、複雑な低温
における温度制御を必要としない。

（３）ガス状で分離すること、及び、貯蔵供給に半連続
貯蔵供給装置を用いることで、トリチウムのインベント
リを大幅に低減することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。本実
施例は、核融合炉プラズマ排ガス中のトリチウムの分離
、供給に好適な例を示す。プラズマ排ガスは、排ガス供
給系４より、イオン化装置１内へ供給される。高周波加
熱装置５により、トリチウムを含むガスは加熱され、原
子状態になる。

プラズマ排ガス中にトリチウムは、Ｔ２、以外に、ＤＴ
、トリチウム化メタン、トリチウム化アンモニウムの化
学形で存在するが、数千℃に加熱されることで、原子状
のＴになる。この時、同位体である、Ｄ、Ｈも原子状態
になる。この原子団に三種類の波長を合成したレーザビ
ーム１２を照射する。このレーザビーム１２は、トリチ
ウム原子の選択励起用波長可変真空紫外レーザ６からの
波長１２０±１０ｎｍのレーザビーム１２、イオン化励
起用の可視光レーザ９、好ましくは、銅蒸気レーザから
の波長５１０ｎｍのレーザビーム、そして、可視光レー
ザ９でポンピングされた色素レーザ８からの波長６５０
ｎｍ付近のレーザビームをハーフミラ−１０、ミラー１
１、そして紫外光透過、可視光反射型のダイナミックミ
ラー７により重ね合せたものである。レーザビーム１２
はイオン化装置１の壁面に設けられた窓より、装置内の
原子団に照射され、トリチウム原子のみを選択的にイオ
ン化励起する。イオン化されたトリチウムは、イオン引
き出し装置２を構成する。引き出し電極１３、及び、電
磁石１４の働きで、トリチウムイオン（Ｔ÷）を、回収
供給装置ｉ３内に回収する。

この時、引き出し電極１３への印加電圧あるいは、電磁
石１４への供給電力を増減することにより、トリチウム
イオンの運動半径を増減させ、複数の回収供給装置に、
順次、流入させるようにする。

すなわち、弁１５を開き、弁１７、弁１６を閉じると、
トリチウムイオンが水素吸蔵合金を充填した水素吸蔵充
填Ｍ１９に流入する。ここで、水素吸蔵合金は、水素を
合金中に吸蔵する働きをもつもので、水素同位体である
トリチウムに対しても同様の吸蔵能力を持つ０通常、パ
ルコニウム−コバルト合金、ランタン−ニッケル合金、
あるいは、ウラン金属が使用される。一定時間回収後、
弁１５を閉じ、逆に、弁１６を開く、同時に引き出し電
極１３の印加電圧を下げ、あるいは、電磁石１４への供
給電力を下げることによって、トリチウムイオンの運動
半径を小さくして、より内側の半径に位置した水素吸蔵
充填層２０に、トリチウムイオンを入射させる。これと
同時に、水素吸蔵充填層１９では、弁１７を開いた状態
で、加熱ヒータ２１へ通電して加熱し、水素吸蔵充填層
１９からトリチウムを放出させ、燃料注入系を経て。

プラズマ中ヘトリチウムを供給する０本発明では、水素
吸蔵充填層を二つの例で示した０通常充填層におけるト
リチウムインベントリは数ｇで、液化蒸留法の一割程度
であるが、水素吸蔵充填層を多数用意することによって
、トリチウムインベント・りをさらに小さくすることが
できる。なお、図中１８は弁、２０は水素吸蔵充填層、
２２は加熱ヒータである。

第２図にはトリチウムの選択励起、イオン化の原理図を
示す、トリチウムの励起レベル（２Ｐ）と基底レベル（
ＩＳ）のエネルギ差に相当する、又はそれより短かい波
長をもつレーザ光を照射することにより、トリチウム原
子のみを選択的に励起できる。このレーザ光の波長は、
真空紫外〜紫外域である０選択励起レベルにある励起ト
リチウム原子は、さらに、イオン化レベルと励起レベル
のエネルギ差に相当する、あるいは、それ以上のエネル
ギに相当する波長のレーザ光を照射することによりイオ
ン化される。この過程は、イオン化レベルと選択励起レ
ベルの準位間を数段階に分割し、その準位間のエネルギ
差に相当する波長をもつレーザ光を複数重ね合わせて照
射することによっても可能である。このイオン化のため
のレーザは、−段階でイオン化するためには、近紫外〜
紫外域のレーザ光１例えば、エキシマレーザが好適であ
り、二段階でイオン化するには、波長可変色素レーザや
銅蒸気レーザ、ＹＡＧレーザが好適である。

本実施例で用いる波長可変真空紫外レーザ６は可視〜紫
外域のパルス色素レーザと非線形媒質（例えば、希ガス
、金属蒸気等）の組み合わせで構成される。−例として
、非線形媒質として水銀蒸気を用いた場合、波長３１：
２．８ｎｍの二光子励起で水銀は７’　Ｓｏの励起状態
になり、さらに、追動起用波長可変色素レーザの波長を
４２０〜６７０ｎｍの範囲で掃引すると、１１４ｎｍ〜
１２７ｎｍの範囲の波長が変えられる真空紫外レーザ光
が得られる。これはトリチウムの選択励起用として好適
である。波長３１２．８ｎ　ｍ　のレーザ光はＹＡＧレ
ーザとローダミン系色素、及び、にＤＰ結晶の組み合わ
せが最適であり、追動起用レーザはＹＡＧレーザとロー
ダミン系色素を組み合わせて得られる。

本実施例では、混合ガス中のトリチウム原子を選択励起
、イオン化分離の例を述べたが、対象とする原子は、ト
リチウムに限ったことでなく、重水素を選択励起イオン
化した場合は、波長可変真空紫外レーザの波長を重水素
の選択励起レベルにあわせることにより実施できる。

さらに１本実施例の変形例を第３図で示す。プラズマ排
ガスを、まず、パラジウム合金膜等からなる水素同位体
分離膜３１で処理して、水素、重水素トリチウムで、水
素の化学形のみを分離し、次いで、選択励起イオン化系
３２で、水素原子のみを励起、イオン化して除去し、残
ったトリチウム、重水素をトリチウム、重水素貯蔵系３
６に一諸に回収し、次いで、調整系３５を経て、燃料注
入系３４に送り、アイスペレット状にしてプラズマガス
中に注入する。この場合、選択励起イオン化される水素
原子濃度は、プラズマ排ガス中では他のトリチウム、重
水素に比べ一桁以上低いので、選択励起イオン化に要す
るエネルギは小さくて良い０図中３３は水素貯蔵系。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来法に比ベプロセスが単純になり、
かつ、トリチウムを液体状で操作する深冷蒸留装置を必
要としないので、トリチウムインベントリを大幅に低減
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の水素同位体分離固定供給装
置の系統図、第２図は水素同位体の基底、励起及びイオ
ン化状態図、第３図は、トリチウム、重水素から水素を
分離する場合のブロック図、第４図は核融合炉における
トリチウム燃料のフローチャート、第５図は従来の触媒
酸化、トリチウム水回収によるトリチウムの分離系統図
である。 １・・・イオン化装置、２・・・イオン引き出し装置、
３・・・回収供給装置、４・・・排ガス供給系、５・・
・高周波加熱装置、６・・・波長可変真空紫外レーザ、
７・・ダイナミックミラー、８・・・色素レーザ、９・
・・可視光レーザ、１０・・・ハーフミラ−１１・・・
ミラー１２・・・レーザビーム、１３・・・引き出し電
極、１４第１図 第３図 を 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、トリチウム、又は、重水素を含む水素分子を原子化
   した後、分離する水素同位体を選択励起レベルに相当す
   る波長のレーザビームを照射して、分離する水素同位体
   原子のみを選択的に励起し、かつ、イオン化して分離す
   る装置において、 イオン化した前記水素同位体を複数の水素吸蔵合金粒子
   を充填した充填層に、順次、導入することを特徴とする
   水素同位体の分離、固定、供給装置。 ２、特許請求項第１項において、 イオン化された粒子の円運動の半径を、引き出し電極の
   印加電圧、磁場強度を変えることで変化させ、変化する
   前記イオン化された粒子の円運動軌道上に前記水素吸蔵
   合金粒子の充填層を複数配置することを特徴とする水素
   同位体の分離、固定、供給装置。