JPS6223429A - 水素同位体の回収・貯蔵・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、水素同位体の回収・貯蔵・供給装置に係り、
特に、水素吸蔵合金を利用して低濃度まで水素同位体を
回収し、且つこれを安全に貯蔵するようになした水素同
位体の回収・貯蔵・供給装置に関する。

［従来の技術１ 一般に、格融合炉においては、重水素や三重水素（トリ
チウム）が原料として使用されるが、特にトリチウムを
使用する場合これは半減期約１２年の放射性物質である
ことから、取扱いは非常に慎重になさねばならない。

従って、格融合炉システムにおいては、燃料サイクル中
の多くの場所で燃料、例えばトリチウムなどの回収・貯
蔵・供給を効率的に且つ安全に行うことが必要となる。

そこで、水素同位体の回収貯蔵等を行うために、水素を
吸い込んで貯える性質を持った合金、すなわち水素吸蔵
合金を利用することが提案されている。この水素吸蔵合
金は水素を吸収する時は発熱反応を起こし、逆に、熱を
加えることにより水素を放出する。

例えば従来の装置は水素吸蔵合金であるウランやＺｒ旧
金合金細片に破砕してこれを容器内に充填し、これに水
素同位体を吸収させるようになっている。そして、水素
放出時には、この水素吸蔵合金を約３５０℃位に加熱し
、一旦吸収した水素同位体を放出さゼるようになってい
る。

［発明が解決しようとする問題点コ ところで、水素吸蔵合金としてウランを使う場合には、
ウランは放射性物質であることから取扱いに制約があり
、操作性が劣るのみならず、ウラン自体が活性があって
酸素と反応しゃすいため充填の際これをあまり微細化で
きず、吸収効率が劣るという問題があった。

また、吸収貯蔵したトリチウムを放出させる場合、水素
吸蔵合金を約３５０℃位まで加熱するが、この時トリチ
ウムの一部が容器壁を貫通して外部に透過することがあ
る。この透過トリチウムの拡散を防止するために、装置
全体を密閉されたグローブボックス内へ設置したり、或
は装置の周囲に不活性ガスを巡回させてそのガスを回収
するようにしているがいずれも装置が複雑化するという
問題があった。

また、水素吸蔵合金としてＺｒＮｉ合金を使う場合には
、これはウランと異なり放射性物質でなく、且つ活性も
低いことから取扱いは比較的容易であるが前記と同様に
透過トリチウム対策のために装置の複雑化を余傷なくさ
れる。

また、トリチウムを使用系から吸収する時、これら使用
系と装置とを単に連絡し、トリチウムの分子拡散により
これを移動させているので平衡状態になるとトリチウム
の移動が停止し、それ以上のトリチウムの吸収ができず
、完全にトリチウムを回収できない場合があった。特に
、トリチウムが不純物ガスを含む場合、上記分子拡散法
のみによると不純物ガスに阻害されてトリチウム分子と
ＺｒＮｉ合金との衝突回数が減少する結果、吸収速度が
著しく低下する不都合もあった。

［発明の目的］ 本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に
解決すべく創案されたものである。

本発明の目的は、不活性ガスにより水素同位体使用系か
ら水素同位体を吸収側へ強制的に随伴させて移送して水
素同位体を完全に吸収すると共に、水素吸蔵合金を２重
構造に充填することにより透過トリチウムを完全に捕捉
するようになした水素同位体の回収・貯蔵・供給装置を
提供するにある。

［発明の概要］ 上記目的を達成する本発明の構成は、水素同位体使用系
に流体循環系を介して水素回収貯蔵部を設け、これを包
囲して水素透過防止部を形成し、この防止部を被って、
水素同位体回収時にこの防止部と上記貯蔵部を冷却する
冷却手段を設けると共に、上記流体循環系に不活性ガス
供給手段を接続し、更に、上記貯蔵部にこれを加熱する
加熱手段を設けるようにし、水素同位体回収時には貯蔵
部及び防止部を冷却しつつ不活性ガスにより使用系内に
残留する水素同位体を上記貯蔵部側へ搬送するようにし
、また水素同位体回収時には貯蔵部を加熱して水素同位
体を放出させる一方に防止部のみを冷却して透過トリチ
ウムをこの防止部で捕捉するようにしたことを要旨とす
る。

［実施例］ 以下に、本発明の好適一実施例を説明する。

第１図は本発明の好適一実施例を示す縦断面図、第２図
は第１図中ＩＩ−ＩＩ線矢視断面図、第３図は水素同位
体使用系に本発明に係る回収・貯蔵・供給装置を接続し
た状態を示す平面図である。

第３図に示す如く１は水素同位体使用系であり、例えば
核融合炉などがこれに該当し、この水素同位体使用系１
に本発明に係る回収・貯蔵・供給装置２（以下単に「供
給装置」と記す）が取付けられる。ここに水素同位体と
は、水素１重水素、トリチウムを言うが、本実施例にあ
ってはトリチウムを例にとって説明する。

上記供給装置２は、トリチウムを実質的に吸収したり放
出したりする供給装置本体３と、これと上記使用系１と
を接続してトリチウムを流通させる流体循環系４とによ
り主に構成されている。

上記供給装置本体３は、第１図及び第２図に示す如く構
成されている。すなわち、５は水素回収貯蔵部であり、
この貯蔵部５は、環状の円筒体状に成型された金属製貯
蔵筒６内に、水素吸蔵合金粉７を充填して構成されてお
り、これにトリチウムを実質的に吸収させることになる
。水素吸蔵合金粉７としてはＺｒＮｉ合金粉、　Ｈｇ２
　Ｎｉ合金粉、　ＦｅＴｉ合金粉、　ＬａＮｉ５合金粉
などが使用され、酸化しにくいことから従来のウラン粉
よりも細かく粉砕しておく。

上記貯蔵筒６内の上下部には環状の空間８，９が形成さ
れており、貯蔵筒周方向へのトリチウムの拡散を良好に
している。そして、上記流体循環系４の一端であるトリ
チウム導入管１０を上記下部空間９まで挿入させると共
に、他端である排出管１１を上記上部空間８に挿通させ
て連通しており、トリチウム導入管１０から流入した流
体を上記水素吸蔵合金粉７を通過させて排出管１１から
排出するようになっている。特にトリチウム導入管１０
の一部は排出管１１内に収容されて、全体として２重管
構造になされている。

上記貯蔵筒６の外周壁には、加熱手段としての電気ヒー
タ１２が多数巻回されており、水素同位体供給時に貯蔵
筒６内の水素吸蔵合金粉７を加熱するようになっている
。

このように構成された水素回収貯蔵部５の全体を包囲し
て水素透過防止部１３が形成されている。

この防止部１３は、上記貯蔵部５を内部に収容して装置
の外殻を構成する円筒体状の外殻ケーシング１４と、こ
の内部に充Ｉａされて上記貯蔵部５に接してこの外周を
完全に被う水素吸蔵合金粉１５とにより主に構成されて
いる。この合金粉１５は、前記と同様にｌ「１合金粉な
どより成り、上記貯蔵部５の貯蔵筒６を透過するトリチ
ウムを捕捉するだめの十分な世が充填されている。

そして、上記外殻ケーシング１４の内壁には、内部を冷
却するための冷却手段１６が設けられている。具体的に
は、この冷却手段１６は、外殻ケーシング１４の内壁に
沿ってその周方向へ多数螺旋状に巻回された冷媒管１７
により主に構成され、これに冷媒を供給する冷媒導入管
１８はこの装置本体３の中央部に上方から挿入されて底
部まで延び、また冷媒排出管１９は装置本体３の上部中
央から外方に貫通して上方に延びている。また、外殻ケ
ーシング１４には、防止部１３の水素吸蔵合金粉１５の
活性を図る水素を供給する導入口２０と、この水素を排
出する排出口２１とが設けられている。また、この導入
口２０と排出口２１は合金粉１５の充填排出時にも用い
られる。

また、外殻ケーシング１４から貯蔵部５の貯蔵筒６に向
けて熱電対２２が挿通されており、貯蔵部５の温度管理
を行い１９るようになっている。

一方、第３図にも示す如く流体循環系４の排出管１１側
に接続される流路には、水素同位体回収時に、使用系１
内の残留同位体を排除するための不活性ガス供給手段２
３が設けられている。具体的には、この供給手段２３は
、循環系４に接続される不活性ガスボンベ２４と、循環
系４に介設される循環ポンプ２５とにより主に構成され
ている。

ここで、不活性ガスとしては、ｔｈｅやＡｒなどが使用
される。

また、この循環系４には、開閉弁２６．２７を介設した
真空排気系や排気系が分岐させて接続されている。

また、トリチウム導入管１０と排出管１１とには、装置
本体３を循環系４から分離するための開閉弁３０．３１
が介設されている。

次に、以上のように構成された本発明の作用について説
明する。

まず、トリチウムを回収する場合について説明する。

貯蔵部５及び防止部１３に収容した水素吸蔵合金粉７，
１５を予め水素などにより活性化しておく。

そして、トリチウム導入管１０に設けた開閉弁３０を閏
にし、且つ排出管１１に設けた開閉弁３１を開にすると
共に真空排気系の弁２６も開にする。尚、この時点では
、不活性ガス供給手段２３は作動させず、循環ポンプ２
５の両側の開閉弁３２．３３をともに開状態にしておく
。

そして、真空排気系を作動させて貯蔵部５の貯ｊｉ！簡
６内の雰囲気を吸引脱気し、この内部を例え−も ばｉｏ　　ｔｏｒｒ以下の高真空状態にする。

この脱気後、排出管１１に設けた開閉弁３１を閉じると
同時にトリチウム導入管１０に設けた開閉弁３０を開に
して貯蔵部５と使用系１とを連通させる。

づると、使用系１内のトリチウムは流体循環系４内を当
初拡散して流れて行き、トリチウム導入管１０より貯蔵
部５の貯蔵筒６内の底部空間９に流入づ゛る。このトリ
チウムは水素吸蔵合金粉７の層内を上昇しつつこれと反
応して捕捉され、金属水素化合物を形成する。この底部
空間９は、貯蔵筒６内の下部に環状に形成されているの
でトリチウムはこの内部に周方向に沿って十分に拡散し
、従って、合金粉７の下層から均一に上昇して捕捉され
ることになり、効率よく吸収することができる。

トリチウムが合金粉７に捕捉されて化合する時、この反
応は発熱反応であることから合金粉７は発熱することに
なる。そこ゛で、外殻ケーシング１４の内壁に形成した
冷却手段１６を作動させる。すなわち、冷媒導入管１８
から冷却水を導入してこれを冷媒管１７内に流し、装置
内部を冷却して昇温した水を冷媒排出管１つから排水す
る。この冷却作用により、装置の内部すなわち防止部１
３及び貯蔵部５が十分冷却されて室温程度になり、特に
、貯蔵部５が冷却されることにより可逆反応である水素
化反応が全屈水素化物形成方向に進み、トリチウムの捕
捉効率乃至吸収効率が向上する。

反応に従ってトリチウムガス圧が低下し、これが１ｔＯ
ｒｒ以下になると拡散速度が低下して吸収効率が急激に
落ちることになる。そこで、使用系１内の残留トリチウ
ムを不活性ガスにより強制的に排除する。

すなわち、不活性ガス供給手段２３の不活性ガスボンベ
２４を閉じる開閉弁３４を開にして流体循環系４内に不
活性ガスを供給する。

すると、使用系１内のトリチウムは不活性ガスによりパ
ージされて、トリチウムは不活性ガスに随伴してトリチ
ウム導入管１０に向けて流れてくる。

そして、排出管１１に設けた開閉弁３１を開にすること
により、トリチウムを含む上記不活性ガスが貯蔵筒６内
に流入して、含有トリチウムが合金粉７に捕捉されるこ
とになる。従って、この不活性ガス供給操作により、低
濃度まで、すなわちほぼ確実にトリチウムを回収するこ
とができる。

この場合、トリチウム使用系１が比較的大容量の場合に
は、循環ポンプ２５に設けた両開閉弁３２．３３を開に
してこの循環ポンプ２５により不活性ガスを循環系４内
に循環させる。これにより、使用系１内の１〜リチウム
はほぼ完全にパージされて、貯蔵部５で捕捉されること
になる。そして、最終的に、不活性ガスを排気系或は真
空排気系から排除する。

また、トリチウム使用系１が小容量の場合には、循環ポ
ンプ２５を作動させることなく不活性ガスボンベ２４か
ら不活性ガスを流体循環系４内に導入し使用系１内のト
リチウムをパージしてこれを貯蔵部５で吸収し、最後に
排気系或は真空排気系から不活性ガスを排出する。

また、トリチウムが他の不純物ガスを含有する場合には
、必要に応じて循環ポンプ２５を作動させてその不純物
ガスで使用系１内のトリチウムをパージし、そのガス量
が不足気味の場合には不活性ガスを適量加え、そして、
循環ガスを最終的に排気系などより排出する。

次に、トリチウムを貯蔵する場合について説明する。ト
リチウムを貯蔵する場合には、上記不活性ガスの循環操
作が終わった後、トリチウム導入管１０及び排出管１１
に設けた開閉弁３０．３１を閉じるか、或は、循環系４
内の不活性ガスを真空排気系により吸引除去した後、上
記と同様に両開閉弁３０．３１を閉じることによりトリ
チウムを金属水素化物の形で安定して貯蔵することがで
きる。この場合、吸蔵合金粉７がＺｒＮｉ合金ならば金
属水素化物はＺｒＮ１Ｔｘ　（ｘ　＜　３　）となる。

次に、貯蔵したトリチウムを使用系１へ供給する場合に
ついて述べる。

まず、貯蔵筒６の外周に設けた加熱手段すなわち電気ヒ
ータ１２に通電し、貯蔵部５の合金粉７をトリチウムの
解離温度以上に加熱し、トリチウムを分離させる。合金
粉７がＺｒＮｉ合金粉の場合には、圧力にもよるが約３
５０’Ｃ以上に加熱する。加熱温度は、トリチウムの必
要圧力によって加減され、その制御は熱電対２２の測定
値にもとづいて行なわれる。この時、排出管１１の開閉
弁３１を開にしておくことにより、分離したトリチウム
が循環系４内を流れて使用系１に供給される。また、ト
リチウム導入管１０の開閉弁３０も開にして、これを逆
流させてトリチウムを使用系１に供給するようにしても
よい。

ところで、上述のように貯蔵部５を加熱する際、トリチ
ウムが貯蔵筒６を透過する傾向となるが、この周囲には
水素透過防止部１３の水素吸蔵合金粉１５が包囲させて
設けであるので、透過トリチウムは防止部１３の合金粉
１５により捕捉されることになる。

この時、冷却手段１６の一部たる冷媒管１７内に冷却水
を流して防止部１３の合金粉１５を冷却しておく。

これにより、この防止部１３の合金粉１５は、透過トリ
チウムを捕捉したにもかかわらず昇温することがなく、
従って吸収効率が低下することがないので透過してくる
微量のトリチウムを確実に捕捉することができ、これが
外殻ケーシング１４から外部へ放出することを確実に防
止できる。

このように、装置本体３から外方へ漏出するトリチウム
を著しく減少或はこれをなくすことができるので、装置
本体を、従来採用されていたグローブボックス等に収容
する必要もなくなり、装置全体を大幅に簡素化すること
ができる。

また、第４図はＺｒＮｉ合金の水素に対する解離圧曲線
を示すグラフであるが、不活性ガスでトリチウムをパー
ジすることにより、プラトー値以下の小さい解離圧にお
いてもトリチウムを捕捉することができ、回収効率を大
幅に向上させることができる。

更に、ウランを除く水素吸蔵合金、例え°ばＺｒＮｉ合
金は細かに破砕した際もウランに比較して酸素との反応
による劣化が少なく、吸収効率を高く維持できるのみな
らず装置への充填も容易にできる。

しかも、放射性物質でないことから毒性も小さく、取扱
いが容易となり且つ安全である。

尚、上記実施例にあっては、使用系として核融合炉燃料
ガス循環システムを例にして説明したが、これに限らず
核融合炉ブランケットからのトリチウム回収システム、
　［１原子炉照射によるトリチウム製造システム等にも
採用できるのは勿論である。

［発明の効果］ 以上型するに、本発明によれば次のような優れた効果を
発揮することができる。

（１）　　不活性ガスにより水素同位体使用系内の水素
同位体をパージして装置内へ導入するようにしたので、
平衡状態がくずれて水素吸蔵合金と水素同位体との衝突
回数が多くなり、従って、水素同位体の回収効率を大幅
に向上させることができる。

（２）　　水素回収貯蔵部の外周にこれを包囲して水素
透過防止部を設けると共にこれを冷却するようにしたも
ので、水素同位体供給時に上記貯蔵部を貫通してくる水
素同位体を確実に捕捉することが出来、従って透過水素
同位体の漏洩を防止して安全性を大幅に向上させること
ができる。

（３）　　上記の項の理由により、従来必要としたグロ
ーブボックス等を不要にできるので装置全体を簡素化で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適一実施例を示す縦断面図、第２図
は第１図中■−■線矢視断面図、第３図は水素同位体使
用系に本発明に係る回収・貯蔵・供給装置を接続した状
態を示す平面図、第４図はＺｒＮｉ合金の水素に対する
解離圧曲線を示すグラフである。 尚、図中１は水素同位体使用系、４は流体循環系、５は
水素回収貯蔵部、７，１５は水素吸蔵合金粉、１２は加
熱手段（電気ヒータ）、１３は水素透過防止部、１６は
冷却手段、２３は不活性ガス供給手段である。 特　許　出　願　人　　石川島播磨重工業株式会社代理
人弁理士　絹　　谷　　信　　雄 り 第３図 □−１１□

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 水素同位体使用系から水素同位体を回収して貯蔵したり
   或は貯蔵物を供給したりする水素同位体の回収・貯蔵・
   供給装置において、上記使用系に流体循環系を介して連
   通され、内部に水素吸蔵合金粉を充填した水素回収貯蔵
   部と、該貯蔵部を包囲して設けられ、これより外方へ透
   過する水素同位体を捕捉すべく内部に水素吸蔵合金粉を
   充填した水素透過防止部と、水素同位体回収時に、上記
   貯蔵部と防止部とを冷却する冷却手段と、上記流体循環
   系に設けられ、水素同位体回収時に上記使用系内の水素
   同位体を排除する不活性ガスを供給する不活性ガス供給
   手段と、水素同位体供給時に、上記貯蔵部を加熱する加
   熱手段とを備えたことを特徴とする水素同位体の回収・
   貯蔵・供給装置。