JPS60192241A - 水素同位体の測定方法 - 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】 本発明は水素同位体の測定方法に関し、特に水素同位体
の混合ガス、すなわち軽水素、重水素、および三重水素
（以下それぞれＨ，ＤおよびＴと略す。）の混合物の流
量及び組成の測定方法に関する。

重水素・三重水素核融合炉燃料給排気精製系統の同位体
分離系統で取扱わねばならない水素同位体混合ガスの流
量及び組成は、従来第１図に示すようなフローによって
測定されていた。

すなわち、水素同位体混合ガスのプロセス流れ１から分
岐したサンプリング流れ２に、例えばガスクロマトグラ
フ、質量分析計などの分析計６を設置して、該分析計５
によってその組成を測定している。またＴの測定は崩壊
に伴うβ線放出を利用した気体計数管、電離箱、振動容
量電位計等によっている。

このために、プロセス流れ１の流量（すなわち水素同位
体混合ガスの流量）を測定するためには、熱量形流量計
（一般にはサーマルマスフローメーターと呼ばれる。）
のように、組成の変化の影響が非常に小さい流量計５を
プロセス流れ１に設置することが必要で、流量と共に組
成を知るためには、上記のような高価な分析計３を、ラ
インを別にして設置する必要があった。

さらに、分析計３で組成を知るには時間遅れがある上に
、連続的な測定は非常に困難であった。

また、該分析計３を通したガスは、通常廃棄され、プロ
セス流れ１に戻すことは非常に困難であった。

しかしながら、分析計３からの排ガスのうちＤ及びＴの
廃棄については、とシわけＴの廃棄については、以下に
示すよう゛雇重大な問題があった。

１）核融合炉の燃料であるり、Ｔ’（Ｄも同時に廃棄さ
れる）の量が減少してゆき、核融合炉の運転が維持でき
なくなる、あるいは別途り。

Ｔを補充することが必要となる。このためり。

Ｔを回収するプロセスが新たに必要となる。

２）　Ｔは半減期が約１２．５年と長い放射性核種であ
るため、処分が非常に困難である。

３）Ｔは我国では生産されておらず、非常に貴重かつ高
価なものである。

本発明は上述した諸点に鑑み、水素同位体混合ガス（Ｈ
，ＤおよびＴの混合物）の流量及び組成を、プロセスか
ら取り出すことなく、シかもリアルタイムで測定するこ
とを目的としてなされたものであって、水素同位体混合
ガス流れに対して直列に配列されており、それぞれＩ１
１定原理の異なる５種の流量計を用いて、上記水素同位
体混合ガスの流量及び組成を同時に濱１］定する方法で
あって、上記３ｍの流量計が熱量形流量計、オリフィス
流量計、毛細管流量計であることを特徴とする水素同位
体の測定方法を提供するものである。

本発明方法によれば、測定原理の異なる３種類の流量計
、すなわち熱量形流量計、第１ノアイス流量計、および
毛細管流量計を直列に設置することにより、水素同位体
混合ガスの流量と組成を同時に、かつリアルタイムで測
定できるので、核融合炉燃料給排気′ｆＲ製系統の同位
体分離系統の計数制御が可能となる。また、本発明の方
法は同位体混合ガスのみならず、３種類の物質の混合ガ
スの流量・組成を同時測定する装置に応用できる。

以下に本発明の方法の原理および具体的方法について詳
細に説明する。まず本発明に用いる３種類の流量計それ
ぞれの原理と水素同位体混合ガスへの適用について述べ
る。

（１）熱量形流量計 本発明では、古くからトーマスガスメータとしてその原
理が知られておシ、一般にはサーマルマスプローメータ
と呼ばれるものを用いる。

この流量計は、気体流れの中に電熱線を入れ該電熱線に
より気体を加熱するとき、気体の温度を一定値だけ上昇
させるのに必要な電気エネルギーを測定することによυ
、該気体の流量をめるもので、その原理は気体を加熱す
るに要するエネルギー（Ｅ）と、該エネルギーＥによる
気体の一定温度上昇（△θ）の間には次式〇が成立する
ことによっている。

Ｑｍ　＝　−”−■ Ｃｐ・△θ ここでＱｍ二単位時間当シに流れる気体の質量流量 Ｅ　；気体温度を△θ上昇させるために与える電気エネ
ルギー Ｃｐ：気体の定圧比熱 △θユニ一温度差 したがってＯｐ　さえ既知であれば、Ｅを測定すること
により気体の質量流量が測定できる。

ここで、水素同位体（Ｈ−Ｄ−Ｔ系）６種類の１モル当
りの熱容量Ｏｐ　は相互にほぼ同じ値であって、例えば
６００°Ｋ　におけるその値は次の第１表に示すとおり
である。

第　１　表 第１表より、Ｈ２に対して校正された熱量形流量計を用
いて、水素同位体混合ガス流量を測定しても、熱容量に
対しては加成性が成立するためその誤差は高々１．７％
である。

なお、本発明方法では、ＩＡ量形流量計はその質量流量
計測用としてではなく、モル流量：の測定に用いる。気
体流れがほぼ常温、常圧であれば、水素同位体混合ガス
は理想気体の状態方程式に従うと考えてよく、モル流量
から体積流量への換算は容易である。

以上を総括すると、熱量形流量計を用いることによシ、
水素同位体混合ガスの組成が未知であっても、その体積
流量を測定することができるわけである。

（２）　オリスイス流量計 オリスイス流量計は広く用いられているものテ、Ｊ工５
ｚ８７６２　にも制定されており、次の０式に従って流
量が測定される。

ここでＱ　：体積流量 ｍ　：開孔比 ＣＯ：流量係数 ε　：膨張補正係数 Ｄ　＝前後の管径 ｇｏ二二重挽換算係 数２２前後の圧力差 ρ　：気体の密度 流量係数ＣＯは開孔比ｍの関数であシ、膨張補正係数ε
、気体の密度ρを知ることができれば、圧力差△Ｐを測
定することにより、体積流量Ｑを知ることができる。

また０式の膨張補正係数６は開ロ比ｍ１オリフィス前後
の圧力比及びアイセントロビック指数の関数である。

ここで開孔比ｍは既知であシ、オリフィス前後の圧力比
も簡単に測定できる。また水素同位体混合ガス成分のＨ
２，ＨＤ、Ｄ２．　ＤＴ、ＨＴ。

Ｔ２　はすべて２原子分子であシ、そのアイゼントロピ
ック指数も等しく混合による影響はない。

従って、密度Ｐを知ることができれば、圧力差△Ｐを測
定することによシ体積流量Ｑを知ることができる。

（３）毛細管流量計 微小流量の測定に汎用されるもので、直径が一定で水平
な毛細管中を流体が一定の流速で層流にて流れている場
合に、下記■式のＨｏｕｇｅｎ　−Ｐｏ、１ｅｅｕｉｌ
ｌｅ　の式が成立することを利用した流量計である。

△Ｐ−に−ｕ・μ　・・・■ ここでΔＰ：毛細管上下流の圧力差（圧力損失）Ｕ　：
平均流速 μ　：流体の粘度 Ｋ　：０式にて表される流量計固有の定数 ｔ　：流量計の毛細管長さ Ｄ　＝毛細管の直径 ｇｏ二二重挽換算係 数って流体の粘度μがわかっておれば、圧力差△Ｐを測
定することによシ、毛細管内平均流速Ｕをめ、Ｕに毛細
管内流路断面積、即ち、πＤ２／４　を乗ずれば体積流
量Ｑを知ることができる。

ここで水素同位体混合ガスの粘度は、その組成により変
化する。Ｈ２＋　ＨＤ＋　Ｄ２　＋　ＤＴ＋　ＨＴ＊Ｔ
２　を成分１〜６とすると、その混合ガスの粘度μは、
次のＷｉｌｋｅの式■、及び０式によりめられる。

ただしμｍ　：純１成分の粘度 ｙｌ：：Ｌ成分のモル分率 Ｍｌ　：土成分の分子量 水素同位体ｊと１の粘度の相互間には次の■式の関係が
ある。

基準とする粘度には最も信頼性があシ、豊富にデータが
存在する町　の値を使用することが望ましい。式のを用
いると式■は次の弐〇のように変形できる。

ところで、水素同位体混合ガスの場合には、モル分率に
かえてアトム分率を、また分子量にかえて原子量を用い
てその粘度を計算しても、殆んど差がない。その計算例
を下記第２表に示したが、最も誤差の大きいのは、各モ
ル分率が、つまり各アトム分率が相互に等しい場合（番
号５）であるが、この場合でもわずか１．９％の誤差に
すぎ逐い。しかし核融合炉燃料給排気精製系統の同位体
分離系統においては、上記のような各アトム分率が等し
い混合ガスは殆んど存在せず、２種の同位体元素でその
組成の殆んど大部分を占める場合が主であるため、アト
ム分率、原子量を用いて計算してもその誤差は非常に小
さいことがわかる。

従って、圧力差△Ｐ及び温度を測定することにより、粘
度μがわかシ、これからＨ，Ｄの存在割合がわかってお
れば、体積流量Ｑを知ることができる。

（４）熱量形流量計、オリフィス流量形、毛細管流量計
の直列使用 第２図は、本発明による実施態様の一例を説明する図で
あって、熱量形流量計６、オリフィス流量計７、毛細管
流量計８を直列に設置し、プロセス流れの水素同位体混
合ガス１を流す。

前記（１）項で説明したように、全体の体積流量は熱量
形流量計６によシ測定される。すると、（２）項で説明
したオリフィス流量計７における体積流量Ｑが与えられ
たことになシ、圧力差△Ｐを測定することにより、水素
同位体混合ガスの密度Ｐを知ることができる。この密度
Ｐは理想気体の状態方程式によって見掛は分子量Ｍに容
易に換算できる。水素同位体混合ガス成分は、いずれも
２原子分子であるから、見掛は原子量Ａは次式〇によっ
てめられる。

Ａ＝　−・・・■ Ｈ，Ｄ、Ｔを示すために添字ｉ＝１．２．３で表し、又
、混合ガスに対しては添字ｍで表し、アトム分率をＸと
すると次の０式が成立する。

ＡｖＱ＝　ΣＡ１Ｘ１　−−−０ ｍ−１ ここで、ＡＩ　（１＝　１．　２．　３　）は、それぞ
れ１．００８．２．０１５、五〇１７である。

また、アトム分率の定義より １＝Σｘ１＋−・■ −１ 一方、毛細管流量計８においても前記（３）項で説明し
たように１体積流量Ｑが与えられたことにより、圧力差
△Ｐを測定すれば水素同位体混合ガスの粘度μをめるこ
とができる。

前述したところから、Ｗｉ’ｌｋｅの式■および０を原
子基準に書き直すと、下記＠、ｏ式となる。

の関係がある。

独立な式■、■、＠の未知数はＸｌ（ｉ””　１゜２．
３）、すなわち、Ｈ，Ｄ、Ｔのそれぞれの原子分率の３
ケであるから、式０，０．■を連立して解くことによシ
、Ｈ，Ｄ、Ｔの原子分率を数学的にめることができる。

したがって水素同位体混合ガスの流量及び組成をプロセ
ス流れにおいて同時に測定できる。

ここで、第３図に示すように、水素同位体混合ガスのプ
ロセス流れ１に直列に配置された、測定原理の異なる３
種の流量計すなわち、熱量形流量計６、オリフィス流量
計７、毛細管流量計８からの出力信号６’、７’、８’
を、前述の演算過程を入力しであるマイクロコンピュー
タ−９に接続することにより、前述の計算過程を経て、
水素同位体混合ガスの流量及び組成を同時に、かつリア
ルタイムに測定することができる。

なお、本発明方法における流量計の配置は第２図及び第
３図に示したものに限定されるものではなく、測定原理
の異なる３種の流量計がいずれの順であれ、水素同位体
混合ガスのプロセス流れ１に対して直列に配置されてい
ればよいことは、言うまでもない。

（５）本発明方法の、水素同位体ガス以外の混合ガス測
定への適用 以上詳述したところからも明らかなように、水素以外の
他種の同位体元素３種類からなる混合ガスの流量、組成
測定に対し、本発明方法は当然有効である。

さらに、３種類の全く異なる成分からなる混合ガスの流
量、組成測定に対しても本発明方法が有効であることを
、以下に簡単に説明する。

純粋１成分に対する値を添字１にて表わし、混合ガスに
対する値を添字ｍで表すこととし、又、定数はに１　＋
　”２　＋　・・・にて表わす。

式■より、モル流量Ｆに対して次式［相］が成立する。

ここで、熱容量Ｏｐ　については、モル加成性が成立す
るから 又、式■よシ ここで、式■における膨張補正係数εは、１−１．２．
３式分が同一のアイゼントロピック指数を持つ場合には
同一値であシ、又、通常用いられるオリフィス流量計に
おいてはＣは１に非常に近い値であシ定数とみなしてい
る。

なお△Ｐｏ　はオリフィス流量計の圧力差を表し、毛細
管流量計の圧力差は△Ｐｃ　と表す。

密度ρと分子量Ｍの間には次００式の関係がある。

Ｐｍ＝　Ｋ３Σ”１７１　””■ −１ 又、モル分率の定義よシ さらに、式■より １ｍ μｍは式■と同じ式よりめることができる。

ここで 以上の式ｏ−■の独立な７式において、未知数はＦｍｙ
　ｃｐ］ｎ、７１　（１ｍ１ｍ’　２＊　３）　＊　ρ
工。

μ。の７ケであるから、式０〜のの連立方程式を数学的
に解くことができる。この解のうち、０≦ｙ１≦１と、
すべての未知数が正の２条件を満す解がめる解である。

この場合にも各流量計からの出力信号をマイクロコンピ
ュータ−に入力して、式■〜＠に従って演算すれば、混
合ガスの流量及び組成を、同時にリアルタイムに測定す
ることができる。

以上のように、本発明の方法は、従来のような高価な分
析機器を別ラインで設け、かつ分析後のＴ、Ｄ等を廃棄
したシ、時間遅れ測定があるという欠点ある方法とは異
なシ、熱量形流量計、オリフィス流量計、毛細管流量計
という測定原理の異なる３種の流量計で、別ラインは設
けずプロセス流れのみで、混合ガスの流量及び組成を同
時に測定でき、演算をコンピューターによれば、リアル
タイムに行えるため、計数制御が可能となる、有効かつ
経済性にも優れた方法である。

さらに本発明方法は水素同位体混合ガス、水素以外の他
核種の３種の同位体混合ガス、さらには全く異なる３種
類の混合ガスの流量及び組成を測定でき、る方法である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来法の概略説明図、第２図は本発明方法の実
施態様の一例を説明する図、第３図は本発明方法のさら
なる実施態様を説明する図である。 復代理人　内　１）　明 復代理人　萩　原　亮　−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　水素同位体混合ガス流れに対して直列に配列さ
   れておシ、それぞれ測定原理の異なる３種の流量計を用
   いて、上記水素同位体混合ガスの流量及び組成を同時に
   測定する方法であって、上記３種の流量計が熱量形流量
   計、オリフィス流量計、毛細管流量計であることを特徴
   とする水素同位体の測定方法。