JPS596243B2 - 水素同位体混合物の回収方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、イオン交換体中の水素同位体の回収法に関す
る。

更に詳しくは重水素及び又は三重水素（以下トリチウム
と称する）を吸着あるいは吸蔵（以下総称して包含と称
する）しているイオン交換体から効率よくそれら水素同
位体を回収する方法に関する。

本発明は重水製造プラント中の重水精製のために使用し
たイオン交換体、トリチウムの大量取扱い施設に使用し
たイオン交換体、重水炉の減速材及び又は冷却材の精製
に使用したイオン交換体、一般の軽水型原子炉に使用し
たイオン交換体等に適用できるものである。

以下重水炉の減速材及び又は冷却材の精製に使用したイ
オン交換体から水素同位体を回収する方法を例に挙げて
説明する。

重水炉の一次冷却水や減速材等に使用されている重水は
高い純度であることが必要であるので、重水炉を循環す
る重水中の金属イオン等を除去する為に、イオン交換体
を用いて重水を精製している。

該イオン交換体を長時間使用するとそのイオン交換体の
性能が低下する。

精製能力の低下したイオン交換体（以下劣化イオン交換
体と称する）は新しいイオン交換体に置き換える必要が
ある。

ところで、この劣化イオン交換体は重水と接触していた
ために、高価な重水素及び重水炉中で重水素等の核反応
で生じた放射性水素同位体であるトリチウムを包含して
いる。

これら包含されている重水素及び又はトリチウムは、経
済的にも又放射能に対する安全面からも効率よく回収す
る必要がある。

従来性なわれている包含している重水素及び又はトリチ
ウムの回収方法は、劣化イオン交換体に液体状の軽水を
通じ、出口での重水濃度及び又はトリチウム濃度が所定
の値以下になるまで軽水を流Ｌａけ：該劣化イオン交換
体を通過して流出した水（以下回収水と称する）は貯槽
に保存するか、又は再濃縮して原糸に戻し再使用される
ことになるが、この方法（以下従来法という）によると
、重水素及び又はトリチウム濃度が軽水により著しく低
められ大量の低濃度回収水が発生し、保存する場合も再
濃縮して再使用する場合にも経済的に著しい負担になっ
ていた。

これら従来法の欠点を改善すべく研究を重ねた結果、該
劣化イオン交換体あるいは水に対し不活性なガスを乾燥
用ガスとして用い、この乾燥用ガスを加熱して該イオン
交換体に通ずることにより、包含している水（重水素及
び又はトリチウムを含有している）を該劣化イオン交換
体から蒸発させ、系外に取り出し回収水とする方法（以
下乾燥法と称する）を見い出し、既に提案した。

乾燥法により得られた回収水は、包含していた水の組成
と実質的に変りなく、再使用する場合に再濃縮する必要
がないので、経済的に非常に有利である。

ところで乾燥法を適用して得られた劣化イオン交換体の
乾燥体（以下乾燥イオン交換体と称する）中には、イオ
ン交換体のイオン交換能力と、使用されていた環境に応
じてなお重水素及び又はトリチウムが包含されている。

これら包含重水素及び又はトリチウムは乾燥法のみでは
回収が困難なものである。

包含されているものがトリチウムの場合は放射能漏洩に
対する安全対策上、又包含されているものが重水素の場
合には経済的観点から、効率のよい方法で更に回収する
ことが望まれていた。

乾燥法により回収され難い包含重水素及び又はトリチウ
ムを効率よく回収すべく研究を行なった結果本発明をな
すに至った。

本発明は、乾燥法を適用して得られた乾燥イオン交換体
から、なお包含されている重水素及び又はトリチウムを
効率よく回収する方法に関するものであり、該乾燥イオ
ン交換体に加熱した状態で軽水の蒸気及び又は重水の蒸
気（以下特に断わらない限り水蒸気と称する）を通ずる
ことにより、包含されている重水素及び又はトリチウム
と水蒸気中の水素との間で水素同位体交換反応を行なわ
しめ、重水素及び又はトリチウムを系外に水の形で回収
する（以下この回収された水も回収水と称する）方法で
ある。

本発明の適用できる乾燥イオン交換体としては、乾燥法
により完全に乾燥した状態のものも可能であるが、必ら
ずしも完全に乾燥した状態のみでなく、不完全な乾燥状
態の乾燥イオン交換体であっても適用可能である。

本発明に適用できる乾燥イオン交換体としては、通常使
用されているイオン交換体であれば特に限定はないが、
有機イオン交換体として、その官能基がＲ−８０３−の
構造を有する強酸性陽イオン交換樹脂、Ｒ−Ｎ（Ｒ’３
）十の構造を有する強塩基性陰イオン交換樹脂、Ｒ−Ｃ
ＯＯ−の構造を有する弱酸性陽イオン交換樹脂、Ｒ−Ｎ
Ｈ（ＲＱ）十の構造を有する弱塩基性陰イオン交換樹脂
などがあるが、これらの構造のみではなく、種々の化学
構造のものが考案され工業的に利用されているものをあ
げることができる。

また無機イオン交換体としては、ゼオライトがその代表
例としてあげられる。

乾燥イオン交換体と水蒸気を接触させる条件としては、
該乾燥イオン交換体と接触した時に該乾燥イオン交換体
中で凝縮しない条件が好ましく、更に好ましくは、該イ
オン交換体の性質が損なわれない限り高温条件が採用さ
れる。

水蒸気と該イオン交換体とが接触する時高温であると、
接触水素同位体交換反応速度が大きくなり、更に露点が
高くなり供給できる水蒸気の量を増加できるので、処理
時間を短縮できることになる。

適用される温度範囲の例を次に示すが、必らずしもこの
値に制約されるものではない。

有機イオン交換体を使用した場合は７０〜１３０℃程度
が、無機イオン交換体の場合には８０〜３００℃程度の
温度範囲が好ましい。

本発明に使用される水蒸気は、単独でも使用可能である
が、該乾燥イオン交換体及び水蒸気に対し不活性なガス
、例えば、空気、酸素、チッ素、アルゴン、ヘリウム、
炭酸ガス、メタン、エタン等の単独またはそれらの混合
ガス、に該水蒸気を同伴させて該イオン交換体と接触さ
せることも可能である。

通常該乾燥イオン交換体は常温付近に放置されており、
操作温度まで該イオン交換体及びその容器、配管等を上
昇させるのに、水蒸気を含む水素同位体交換用ガスの顕
熱のみを利用するのは、機器等の熱容量が太きいために
有利とは云い難い。

そこで、本発明を適用する場合には、劣化イオン交換体
を乾燥し該乾燥イオン交換体を造るプロセス、つまり乾
燥法、を完了したら直ちに本発明の方法を適用すること
により、該乾燥イオン交換体が高温に保たれているので
省エネルギーと処理時間を短縮することが可能となる。

乾燥法と本発明の方法を組み合せた場合に得られる回収
水として、前者によるものは該イオン交換体と接触して
いた水（以下原水と称する）と水素同位体組成のほとん
ど変らないものとなり、後者によるものは原水に比較し
て重水及び又はトリチウム濃度が希釈されたものが少量
発生することになる。

本発明の方法は通常流通法で行なうのが有利であるが、
必らずしも図に示した方法に限定されない。

又圧力、水蒸気の流量、等に特に大きな制限はなく加圧
下でも減圧下でもよいが常圧付近の圧力、圧損のあまり
大きくない水蒸気の流量を採用するのが好ましい。

次に本発明の方法による不活性ガスを使用した実施の態
様を図面に基づいて詳細に説明する。

重水素及び又はトリチウムを包含している乾燥イオン交
換体３は、交換反応塔２に挿入される。

不活性ガス導入管７から供給される不活性ガスは、軽水
導入管８又は重水導入管９から導入された水を蒸発器１
で蒸気としたものと混合し交換反応塔２に供給される。

この交換反応塔２で蒸気中の水素同位体と乾燥イオン交
換体３に包含されている水素同位体との間で交換反応を
起こし、出口では、供給蒸気より重い水素同位体の濃度
が高くなっている。

これを凝縮器４に導ひき、蒸気は、水として回収し不活
性ガスは不活性ガス排水管１０から排出され、回収水６
は回収水貯槽５に回収される。

次に実施例をあげ本発明を更に詳細に説明する。

実施例 陽イオン交換樹脂１１を内径５ｃｒＩＬ、高さＩｎの塔
底に金属性フィルターを備えたステンレス・スチール製
の乾燥塔に充てんし、水切りを行なった。

この乾燥塔の下部から該陽イオン交換体中に気泡が残ら
ないようにステンレス・スチール製の捧でゆるくかきま
ぜながら陽イオン交換樹脂の上まで重水を満たした。

この時使用した重水は、重水濃度９９．８％トリチウム
濃度ｓ ｘ ｉ ｏ”−’μＣｉ／重水１ｍ１（ＩＣｉ
とは放射性同位元素が１秒間に３．７×１Ｏ１０個崩壊
する量）であり、この重水を更に乾燥塔下部から空塔速
度０．１凛／ＳｅＣの流量で５０分間流したところ、出
口での重水濃度及びトリチウム濃度は元の重水と測定誤
差内で一致した。

このように重水による処理を行なった後水切りをして乾
燥処理を行なった。

水切りを完了した該陽イオン交換樹脂の充てんされてい
る該乾燥塔をイオン交換体乾燥システムにセットし、窒
素を乾燥用ガスとして用い、乾燥ガス加熱器で１００℃
に加熱し、流量１．４Ｎｍ”／毎時（Ｎｍ’とは標準状
態における立方米の意味である）で通じ、該陽イオン交
換樹脂を２０時間かけて乾燥させた。

この時の乾燥塔出口のガスの温度は、９９℃であった。

乾燥用ガスと同伴して出て来た蒸気を凝縮器で凝縮して
得られた回収水は約４００ｍ１で重水濃度は９９．８％
、トリチウム濃度は８Ｘ１０−’ ｐ、ｃ；ｉ／重水１
１ｒＬｌであった。

このように処理した該陽イオン交換樹脂の充てんされた
乾燥塔を交換反応塔として使用し、図に示すような乾燥
イオン交換体処理装置に直ちにセットし、軽水蒸気によ
る重水素及びトリチウムの回収を開始した。

軽水の供給速度は毎時１００１ｒＬｌとし、不活性ガス
導入管から窒素を毎時７５Ｎｌの流速で蒸発管に導入し
蒸発器の出口温度を１００°Ｃとなるように制（財）し
、２時間運転した時、回収貯槽にたまった回収水は２０
０ＴＬｌであり、その回収水中の重水濃度は１０％、ト
リチウム濃度は８ＸＩＯ−５μＣｉ／ｙｎｌであった。

更に同一の条件で１時間運転した時の回収水は１００ｍ
１であり重水濃度は０．０３％以下、トリチウム濃度は
ｔｘｔｏ”−７μＣｉ ／回収水１ｍｌ以下であった。

比較例 陽イオン交換樹脂ｌｌを内径５ｃｒｒＬ、高さ１ｍの塔
底に金属性フィルターを備えたステンレス・スチール製
の置換反応塔に充てんし、水切りを行なった。

この置換反応塔の下部から該陽イオン交換体中に気泡が
残らないようにステンレス・スチール製の捧でゆるくか
きまぜながら陽イオン交換樹脂の上まで重水を満たした
。

この時使用した重水は、重水濃度９９．８％、トリチウ
ム濃度ｓｘ ｉ ｏ−’μＣｉ／重水Ｌｖｉｌであり、
この重水を更に置換反応塔下部から空塔速度０．１ ｃ
ｒｒＬ／ｓｅｃの流量で５０分間流したところ出口での
重水濃度及びトリチウム濃度は原水（元の重水）と測定
誤差内で一致した。

このように重水処理を行ない水切りを行なった陽イオン
交換樹脂入りの置換反応塔に軽水供給ラインを接続し、
軽水を塔底より徐々に挿入し気泡が該陽イオン交換樹脂
間に残らないようステンレス・スチール製の棒でゆるく
かきまぜて該陽イオン交換樹脂が浸たる程度まで軽水を
入れた。

ステンレス・スチール製の棒を取り出して更に軽水を空
塔速度で０．１ ｃｒｎ ／ｓｅｃになるように塔底か
ら供給し、出口トリチウム濃度が５Ｘｌ−７μＣｉ／回
収水Ｌｒｒｔｌになるまで軽水を供給した。

この時得られた回収水の量は３１．重水濃度は１３％、
トリチウム濃度５ｘｔｏ−５μＣｉ／回収水１ ｍｌで
あった。

この結果から本発明の方法によると回収水の量を著しく
低減できることがわかる。

また低濃度回収水が大量に発生すると、回収水から重水
及びトリチウム水を濃縮するためには大きな濃縮設備と
多量のエネルギーが必要となり経済的に不利である。

【図面の簡単な説明】

図は本発明になる乾燥イオン交換体の処理装置の１例を
示す概要図である。 １・・・・・・蒸発器、２・・・・・・交換反応塔、３
・・・・・・乾燥イオン交換体、４・・・・・・凝縮器
、５・・・・・・回収水貯槽、６・・・・・・回収水、
７・・・・・・不活性ガス導入管、８・・・・・・軽水
導入管、９・・・・・・重水導入管、１０・・・・・・
不活性ガス排出管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水素同位体の混合物を水またはイオンの形で包含し
   ている乾燥または乾燥に近い状態にあるイオン交換体に
   、軽水及び又は、重水の蒸気を単独もしくは不活性なガ
   スに同伴させたものを通ずることにより、該イオン交換
   体中に包含されている重水素及び又は三重水素を回収す
   る方法。