JPH0377626A - 水素同位体精製装置 - 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】 ［発明の口内］ （産業上の利用分野） 本発明は、トリチウム等の水素同位体を含んだ混合ガス
から水素同位体を回収するための水素同位体精製装置に
関する。

（従来の挾術） 核融合炉においては、燃料として水素同位体を用いて核
融合反応させ、その際放出されるエネルギーを利用して
発電が行なわれる。燃料としては、現在、重水素とトリ
チウムとの組合せが有望視されている。トカマク型の核
融合炉においては、炉心に注入された燃料である水素同
位体のうち、最大でもわずか数パーセントしか核燃焼せ
ず、その他は全て排出される。したがって、核融合炉を
経済的に運用するには、未燃焼の燃料を回収する必要が
ある。核融合炉の炉心から排出されるガス中には不純物
が混入しており、現在のところその成分は、軽水素、ヘ
リウム、炭素、酸素等が主成分になっていると考えられ
ている。回収した燃料を再使用するためには、これら不
純物を除去する必要がある。軽水素と燃料とを分離する
方法としては、一般に深冷蒸留法が採用される。この深
冷蒸留法によって、定常的に同位体分離を行おうとする
と、軽水素、ヘリウム以外の前述した不純物のトータル
濃度を１　ｐｐｍ以下にすることが必要となる。

ところで、核融合炉の炉心より排出されたガス中からト
リチウム、重水素等の水素同位体を分離するには、軽水
素ガス精製において用いられている方法を利用すること
ができる。軽水素ガスの精製法には種々あるが、そのう
ちの一つとして、パラジウムおよびパラジウム系合金（
以下、Ｐｄと総称。）に対する水素同位体分子（以下、
Ｑ２と総称。）の透過性を利用したＰｄ拡散器を使用す
る方法がある。Ｑ２はＰｄの表面において分子から原子
状水素に解離してＰｄの内部に溶解し、拡散する性質が
ある。またＰｄの両側でのＱ２の分圧に差がある場合に
は、Ｑ２がＰｄ壁を透過する。

ちなみに、その透過ｆｆ１Ｐは次式で示される。

Ｐ　＝　（Ａ　／　ｄ　）　　　（Ｆ［−１−日）Ｂ・
ｅＸｐ（−Ｑ／ＲＴ） 上記の式において、ＡはＰｄ表面の面積、ｄはＰｄ壁の
厚さ、ｐｌは透過側のたとえばトリチウムガス分圧、ｐ
２はたとえば被透過側のトリチウムガス分圧、Ｂは５Ｉ
ｅｖｅｒＬｓ定数、ｑは活性化エネルギー、Ｒはガス定
数、Ｔは絶対温度をそれぞれ表す。

第３図にはＰｄ拡散器を用いて核融合炉の炉心より排出
されたガス中から水素同位体を分離する水素同位体精製
装置が示されている。この装置では、炉心Ｎから排出さ
れた被処理ガスが、配管１を介してＰｄ拡散器２へ供給
される。Ｐｄ拡散器２内のＰｄＪｌｉ３はヒーター（不
図示）によって約３００℃に加熱されている。Ｐｄ膜３
を透過したＱ２は、配管４を介して同位体分離系Ｓへ供
給される。またＱ２の透過によって、Ｑ２ガスの劣化し
た被処理ガスは、配管５を介して触媒反応器６へと送ら
れる。この触媒反応器６においてＱ２および水素同位体
と結合した不純物が酸素（０２）と反応し、水素同位体
が水（Ｈ２Ｏ）となる。この水および他の不純物ガスは
、冷凍器７ａまたは冷凍器７ｂに送られ、ここで水が回
収され、他の不純物ガスは排ガス処理系Ｚへと導かれる
。冷凍器７ａまたは冷凍器７ｂで回収された水は、配管
８を介して電解槽９に導かれ、ここで電気分解される。

そして、Ｑ２は配管１０を介してＰｄ拡散器２へと供給
され、また酸素は配管１１を介して触媒反応器６へと送
られる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記のように構成された従来の水素同位
体精製装置にあっては、Ｐｄ拡散器２でＱ２を分離した
後の不純物を含むガスの処理のために、３種類の機器が
必要となる。このため、装置全体が複雑になるばかりか
、制御系統も複雑になるという問題があった。さらに冷
凍器７ａ、７ｂを介して水を回収し、これを電解槽９に
送ってＱ２を再抽出する方式を採用しているので、この
再抽出系におけるトリチウム・インベントリ−がかなり
多くなり、トリチウム経済の面からみて好ましいもので
はない。

そこで本発明は、Ｐｄ拡散器でＱ２を分離した後の不純
物を含むガスを処理するための系を大幅に簡単化できる
水素同位体精製装置を提供することを目的としている。

〔発明の構成］ （：１１題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明に係る水素同位体精
製装置は、水素同位体を含む被処理ガスをパラジウムあ
るいはパラジウム系合金で形成された水素透過膜１ご接
触させて上記被処理ガス中の水素同位体ガスを透過分離
させる第１の手段と、この第１の手段において分離され
ないまま排出された水素同位体ガスおよび水素同位体と
他原子の粘合したガスを活性金属に接触させて水素同位
体を上記活性金属に吸蔵させる第２の手段と、前記活性
金属に吸蔵されている水素同位体を放出させて前記第１
の手段に再度注入する再注入手段と、で構成されている
。

（作用） Ｐｄ拡散器を通った排出ガスからの水素同位体回収およ
びＰｄ拡散器への再注入を、活性金属のみで行うため、
必要とされる機器点数および工程が軽減され、かつＰｄ
拡散器への再注入経路でのトリチウム・インベントリ−
を少なくすることができる。

（実施例） 第１図には、本発明の一実施例に係る水素同位体精製装
置の概略構成が示されている。

核融合炉の炉心Ｎから排出された水素同位体を含む被処
理ガスは、配管２１を介してＰｄ拡散器２２内へ導かれ
る。Ｐｄ拡散ｒＡ２２には、Ｑ２を透過させるＰｄＨ２
３が拡散器内を２つの部屋に仕切る形に配置されている
。Ｐｄ膜２３は図示しないヒータによって所望の温度に
保持されている。

Ｐｄ膜２３を透過したＱ２は図示しない同位体分離系Ｓ
へ導かれ、またＰｄ膜２３を透過しなかったＱ２および
不純物ガスは配管２４．バルブ２５ａ、２５ｂを介して
活性金属充填塔２６ａ、２６ｂへ選択的に導かれる。

活性金属充填塔２６ａ、２６ｂ内には、それぞれ水素同
位体を吸蔵するウラン、チタニウム、ジルコニウム等の
金属あるいはこれらの合金からなる活性金属が収容され
ている。また、活性金属充填塔２６ａ、２６ｂには、活
性金属を選択的に所定温度に加熱するヒータと、活性金
属を選択的に冷却する冷却系とが付設されている。活性
金属充填塔２６ａ、２６ｂには、廃ガス排出口２７ａ。

２７ｂと、再生ガス排出口２８ａ、２８ｂとが設けられ
ている。そして、廃ガス排出口２７ａ、２７ｂはそれぞ
れバルブ２９ａ、２９ｂを介して廃ガス処理系２に接続
されており、また再生ガス排出口２８ａ、２８ｂはそれ
ぞれバルブ３０ａ、３０ｂを介して配管３１に接続され
ている。配管３１はＰｄ拡散器２２のガス導入口に接続
されている。

なお、バルブ２５ａ、２５ｂ、２９ａ、２９ｂ。

３０ａ、３０ｂならびに各活性金属充填塔２６ａ。

２６ｂに付設されたヒータおよび冷却系は、図示しない
制御装置によって後述する関係に制御される。

次に、上記のように構成された水素同位体精製装置の動
作を説明する。

まず、バルブ２５ａ、２９ａが“開１、バルブ２５ｂ、
２９ｂ、３０ａ、３０ｂが“閉２の状態にあるものとす
る。

この状態において、水素同位体を含む被処理ガスが配管
２１からＰｄ拡散器２２へ供給されると、Ｑ２がＰｄＭ
２３を透過して、同位体分離系Ｓへ供給される。一方、
Ｐｄ拡散器２２より排出されたＱ２の劣化したガスは活
性金属充填塔２６ｇに供給される。活性金属充填塔２６
ａ内には前述した活性金属が収容されているので、残存
するＱ２および水素同位体と他原子が結合したガスが、
活性金属に接触して分解され活性金属内に吸蔵される。

その他の活性金属との反応性に乏しい希ガスは、排ガス
排出口２９ａより排出され、廃ガス処理系２へと流れる
。一定期間経過すると、つまり活性金属の水素同位体吸
蔵能力を越えない一定期間経過した時点で、バルブ２５
ｂ、２９ｂが“開“に、バルブ２５ａ、２９ａが“閉”
に制御される。

この結果、Ｐｄ拡散器２２から排出されたガスは、こん
どは活性金属充填塔２６ｂへと流れる。この時点から一
定期間経過すると、活性金属充填塔２６ａに付設された
ヒータがオン制御され、この充填塔２６ａ内の活性金属
が所定の温度に加熱される。また、バルブ３０ａが“開
”に制御される。

充填塔に充填されているウラン、チタニウム、シリコニ
ウム等の金属あるいはこれらの合金からなる活性金属の
水素同位体吸蔵量ｑと温度ＴとＱ２の圧力Ｐとの間には
、−膜内に第２図のような相関関係が見られる。したが
って、活性金属充填塔２６ｇの内の活性金属がヒータに
よって所定温度Ｔに加熱されると、この活性金属からＱ
２が放出される。放出されたＱ２は、バルブ３０ａ、配
管３１を介してＰｄ拡散器２２のガス等入口へと流れる
。なおこの時、水素同位体以外の原子は活性金属と安定
な化合物を形成しているため放出されることはなく、Ｐ
ｄ拡散器２２の処理能力に過剰の負担がかかることはな
い。

このような状態で一定期間経過すると、バルブ３０ａが
“閉°に制御され、また活性金属充填塔２６ｍに付設さ
れたヒータがオフ制御される。続いて、この活性金属充
填塔２６ａに付設された冷細糸が一定期間オン制御され
る。

次に、バルブ２５ａ、２９ａが“開”に制御されるとと
もに、バルブ２５ｂ、２９ｂが“閉″制御される。した
がって、Ｐｄ拡散器２２から排出されたガスは、再び活
性金属充填塔２６ａへと流れる。この時点より一定期間
経過した時点で活性金属充填塔２６ｂに付設されたヒー
タがオン制御され、さらにバルブ３０ｂが“開１に制御
される。

この結果、活性金属充填塔２６ｂの活性金属に吸蔵され
ていたＱ２がＰｄ拡散Ｗ２２へ再注入される。以後、上
述した動作が繰り返えされて水素同。

α体の精製が連続的に行なわれる。

このように、Ｐｄ拡散器２２より排出されたガスから水
素同位体を回収し、これをＰｄ拡散器２２へ再注入する
系を活性金属充填塔２６ａ、２６ｂだけで構成している
。したがって、排出ガス処理系の構成を極めて簡ｌｉｔ
化でき、またそれに伴って制御も容易化できる。さらに
、Ｐｄ拡散器２２の再注入はガス状態で行われるため、
移送部分でのトリチウム・インベントリ−を少なくする
こともできる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。この他に本要旨を逸脱しない範囲で抽々の変形実施
が可能である。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明によれば、Ｐｄ拡散器の
排出ガスからの水素同位体回収およびＰｄ拡散器への再
注入を活性金属でのみで行うようにしているため、必要
とされる機器点数および工程が軽減される。またＰｄ拡
散器への再注入はガスで行われるため、移送部分でのト
リチウム・インベントリ−を少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる水素同位体精製装置
の概略構成図、第２図は活性金属の温度と水素同位体分
子の圧力と吸蔵量との間の関係を示す図、第３図は従来
の水素同位体精製装置の概略構成図である。 ２２−Ｐ　ｄ拡散器、２３−Ｐ　ｄ膜、２６ａ、２６ｂ
・・・活性金属充填塔、Ｎ・・・炉心、Ｓ・・・同位体
分離系、Ｚ・・・廃ガス処理系。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　水素同位体を含む被処理ガスをパラジウムあるいはパ
   ラジウム系合金で形成された水素透過膜に接触させて上
   記被処理ガス中の水素同位体ガスを透過分離させる第１
   の手段と、この第１の手段において分離されないまま排
   出された水素同位体ガスおよび水素同位体と他原子の結
   合したガスを活性金属に接触させて水素同位体を上記活
   性金属に吸蔵させる第２の手段と、前記活性金属に吸蔵
   されている水素同位体を放出させて前記第１の手段に再
   度注入する再注入手段と、を具備してなることを特徴と
   する水素同位体精製装置。