KR100444257B1 - A method of seperation for hydrogen isotopes - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소동위원소의 분리방법에 관한 것으로서, 상세하게는 금속수소화물 및 수소동위원소간의 상이한 흡착효과를 이용한 저온부 및 고온부로 구성된 다단의 흡착공정을 경유하여 삼중수소화 중수로부터 삼중수소를 분리하는 방법에 관한 것으로서, 수소동위원소 분리 공정의 단순화, 비용의 절감 및 방사 화학적 안전성이 보장되는 수소동위원소를 분리할 수 있다.The present invention relates to a method for separating hydrogen isotopes, and specifically, to separate tritium from tritiated heavy water through a multistage adsorption process consisting of a low temperature part and a high temperature part using different adsorption effects between a metal hydride and a hydrogen isotope. The method relates to the separation of hydrogen isotopes, which simplifies the hydrogen isotope separation process, reduces costs and ensures radiochemical safety.

Description

수소동위원소 분리방법{A method of seperation for hydrogen isotopes}A method of seperation for hydrogen isotopes

본 발명은 수소동위원소의 분리방법에 관한 것으로서, 상세하게는 금속수소화물 및 수소동위원소간의 상이한 흡착효과를 이용한 저온부 및 고온부로 구성된 다단의 흡착공정을 경유하여 삼중수소화 중수로부터 삼중수소를 분리하는 방법에관한 것으로서, 수소동위원소 분리 공정의 단순화, 비용의 절감 및 방사 화학적 안전성이 보장되는 수소동위원소를 분리할 수 있다.The present invention relates to a method for separating hydrogen isotopes, and specifically, to separate tritium from tritiated heavy water through a multistage adsorption process consisting of a low temperature part and a high temperature part using different adsorption effects between a metal hydride and a hydrogen isotope. As for the method, it is possible to separate the hydrogen isotopes, which simplifies the hydrogen isotope separation process, reduces the cost and ensures radiochemical safety.

수소는 천연에서 99.985 %의 경수소, 0.015 %의 중수소 및 삼중수소로 구성되어 있는 원소이며, 이 중, 질량수가 2인 중수소(deuterium)는 양자 1개와 중성자 1개로 구성되어 있는 수소동위원소로2H 또는 D 라고 표기한다. 보통의 수소와 동일하게 모든 화학반응에 참여하여 등가의 화합물을 만드는 특성이 있으며, 경수소에 비해 반응속도가 느린 성질을 이용하여 수소를 포함하는 화학반응과 생화학반응을 조사하는 동위원소 추적자(isotope tracer)로 이용되고 있으며, 또 자연의 수소에서 중수소를 분리하려면 원심분리기를 이용하거나 중수(D2O)를 전기분해함으로써 얻을 수 있다. 또한, 삼중수소(tritium)는 질량수가 3이며3H 또는 T로 표기되고, β-방사성을 가지며 반감기가 약 12년으로3He로 전이되는 수소동위원소이다. 삼중수소는 짧은 수명에도 불구하고 천연으로 존재하는데, 이는 우주선(cosmic ray)에 의하여 대기의 상층에서 일어나는 핵반응에 의해서 만들어진다. 대기 안의 수소나 빗물 속에는 10-19∼10-17% 함유되어 있으며, 동위원소 추적자(isotope tracer), 핵융합반응의 주요원료로 사용된다.Hydrogen is an element that is configured from natural with deuterium and tritium gyeongsuso of 99.985%, 0.015%, of which, mass number is 2, heavy hydrogen (deuterium) has 2 H with hydrogen isotopes is configured as one proton and one neutron Or D. Isotope tracer that investigates chemical and biochemical reactions containing hydrogen using properties that are slower than light hydrogen, and participates in all chemical reactions like ordinary hydrogen. In order to separate deuterium from natural hydrogen, it can be obtained by using a centrifuge or by electrolyzing heavy water (D 2 O). In addition, tritium is a hydrogen isotope with a mass number of 3, denoted as 3 H or T, β - radioactive and having a half-life of about 12 years transferred to 3 He. Tritium exists naturally despite its short lifespan, which is produced by nuclear reactions in the upper layers of the atmosphere by cosmic rays. It contains 10 -19 ~ 10 -17 % of hydrogen or rainwater in the atmosphere, and is used as an isotope tracer and the main raw material for fusion reaction.

현재 세계에서 상업적으로 가동되고 있는 발전용 원자로는 미국이 개발한 경수로, 영국의 고온가스냉각로 및 캐나다의 중수로로 나눌 수 있으며, 캐나다에서 개발된 캔두(candu)형 원자로는 중수로 형식을 가지고 있으며, 감속재(moderator)및 냉각제(coolant) 모두 중수를 사용한다.Currently, the world's commercially available power reactors can be divided into light reactors developed by the United States, hot gas cooling reactors in the United Kingdom and heavy water reactors in Canada, and candu reactors developed in Canada. Both modulators and coolants use heavy water.

중수로(heavy water reactor)는 중수를 감속재(moderator) 및 냉각재(coolant)로 사용하는 원자로로, 중수는 경수에 비해 중성자를 감속하는 작용을 하며, 또한 경수보다 중성자를 흡수하는 양이 적기 때문에 천연 우라늄 연소에 사용되고 있다. 그러나, 중수는 값이 고가이므로 발전소 설계시 원자로 내에 주입하는 중수량을 최소로 유지하고 운전 중에는 중수의 누설 및 손실을 최소로 유지해야 한다.Heavy water reactor is a reactor that uses heavy water as a modulator and coolant. Heavy water acts to slow down neutrons compared to hard water and also absorbs neutrons less than hard water. It is used for combustion. However, heavy water is expensive, so the plant design should keep the amount of heavy water injected into the reactor to a minimum and minimize the leakage and loss of heavy water during operation.

원자로 내 중수의 중수소는 하기 반응식 1과 같이 중성자 흡수 반응을 하여 삼중수소를 생성한다.Deuterium in the heavy water in the reactor generates a tritium by neutron absorption reaction as shown in Scheme 1 below.

D + n -> T + 감마선D + n-> T + gamma rays

상기 반응식 1에 있어서,In Reaction Scheme 1,

D는 중수소이며, T는 삼중수소이고, n은 중성자를 나타낸다.D is deuterium, T is tritium and n is neutron.

상기 반응식 1과 같이 중성자 흡수 반응에 의하여 원자로 내의 중수가 삼중수소로 바뀌면서 중수의 손실이 있게 된다. 이러한 중수 내 삼중수소를 감소시키는 방법으로는 삼중수소의 농도가 상대적으로 다른 중수를 혼합하여 희석시켜주는 치환에 의한 방법과 중수 중 삼중수소를 화학적 교환에 의해 제거 시켜주는 방법이 있다.As shown in Scheme 1, the heavy water in the reactor is changed to tritium by the neutron absorption reaction, resulting in the loss of heavy water. As a method of reducing tritium in deuterium, there are a method of diluting by mixing and diluting heavy water having relatively different concentrations of tritium, and a method of removing tritium in heavy water by chemical exchange.

(1)삼중수소 치환에 의한 농도 감소(1) concentration decrease by tritium substitution

냉각재 중수의 경우 원자로에서 중수를 인출하여 승급기(upgrader)에 의한순도를 높인 후 재순환 시키지 않고 별도 저장하였다가 후속기의 감속재로 사용하고 냉각재에는 인출한 만큼의 순수한 중수로 치환하여 줌으로서 원자로 내 삼중수소 농도를 감소시키는 방법이다.In the case of coolant heavy water, the heavy water is withdrawn from the reactor to increase the purity by the upgrader, and then stored separately without recirculation, and then used as a moderator for the subsequent stage. It is a way to reduce the concentration.

(2)삼중수소 제거 설비에 의한 삼중 수소 제거(2) Tritium removal by tritium removal facility

수소동위원소간에 화학 교환을 유도하여 삼중수소를 추출 분리시켜 중수중 삼중수소를 제거하는 방법으로, 삼중수소 분리공정은 이동공정과 농축공정으로 구성하여 삼중수소를 제거한다. 삼중수소의 제거 공정으로는 물증류공정, 전기분해공정 및 저온증류공정으로 구분할 수 있다. 그 외의 삼중수소 제거설비의 복합 공정으로는 전기분해와 저온 증류공정, 액체상 촉매교환과 저온 증류공정, 전기분해 촉매 교환 결합과 저온 증류법으로 구성되어 있다. 상기 방법은 중수 중 삼중수소 농도가 낮기 때문에 고도의 동위원소 분리기술이 요구된다.Induces chemical exchange between hydrogen isotopes to extract tritium to remove tritium from deuterium. The tritium separation process consists of a transfer process and a concentration process to remove tritium. The tritium removal process can be divided into water distillation process, electrolysis process and low temperature distillation process. The other complex processes of tritium removal equipment consist of electrolysis and low temperature distillation, liquid phase catalyst exchange and low temperature distillation, electrolytic catalytic exchange and low temperature distillation. The method requires high isotope separation techniques because of the low concentration of tritium in heavy water.

삼중수소를 분리하기 위한 상용화된 방법으로는 프랑스 I.L.L. 원자로와 캐나다 캔두(candu)형 원자로의 삼중수소 제거시설을 이용한 방법이 있다.Commercially available methods for the separation of tritium include French I.L.L. There is a method using a tritium removal facility for a reactor and a Canadian candu reactor.

상기 방법은 고온에서 수소동위원소 화학교환 반응이 이루어지는 단계(단계 1); 초저온 증류단계(단계 2)로 이루어진다. 단계 1은 삼중수소화 중수와 중수소를 활성탄에 담지된 백금 촉매탑에서 200 ℃의 과열기체상태로 수소동위원소 화학교환 반응을 시키는 것으로, 이 반응은 수 차례 반복 수행되며 상당량의 삼중수소가 제거된 중수는 원자로로 재순환된다. 이때, 단계 1에 주입된 중수소는 삼중수소화 되어 삼중수소화 중수소가 되며, 단계 2는 영하 250 ℃로 운전되는 초저온 증류공정으로, 삼중수소화 중수소는 초저온에서 분리되어 탑 하부로는 비등점이 높은 삼중수소가 분리되고, 탑 상부로는 비등점이 낮은 중수소가 분리된다. 탑 하부로 분리된 삼중수소는 방사능 물질이므로 폐기물 처리하거나 방사성 동위원소로 회수되며, 탑 상부로 분리된 중수소는 단계 1로 순환 공급된다. 삼중수소와 중수소의 높은 분리능을 위하여 초저온 증류탑은 여러 개의 다단 탑으로 구성되어 있다.The method comprises the step of performing a hydrogen isotope chemical exchange reaction at a high temperature (step 1); It consists of a cryogenic distillation step (step 2). In step 1, tritiated deuterium and deuterium are subjected to a hydrogen isotope chemical exchange reaction in a platinum catalyst tower loaded with activated carbon in a superheated gas at 200 ° C., and this reaction is repeated several times. Is recycled to the reactor. At this time, the deuterium injected in step 1 is tritiated to become tritium deuterium, and step 2 is a cryogenic distillation process operated at minus 250 ° C. The tritiated deuterium is separated from the ultra low temperature and the tritium is high at the bottom of the tower. And deuterium with low boiling point is separated to the top of the tower. The tritium separated into the bottom of the tower is a radioactive material, so it is either disposed of as waste or recovered as radioactive isotopes, and the deuterium separated into the top of the tower is circulated to step 1. For the high resolution of tritium and deuterium, the cryogenic distillation column is composed of several multi-stage towers.

1970년대 초반에 상용화된 상기 공정은 단계 1에서 삼중수소화 중수의 과열 증기화를 반복 수행함으로써 에너지 소모가 과다하며, 단계 2에서는 영하 250℃의 초저온에서 삼중수소와 중수소를 분리하므로 초저온 조작에 따르는 냉동, 단열 및 불순기체의 초저온 응고현상에 의한 증류탑 내의 기술적 문제점이 발생하고, 다량의 삼중수소화 중수소를 초저온 액화시키는 과정에서 막대한 액화 에너지 비용이 소요된다. 또한, 삼중수소화 중수가 백금 촉매탑에서 200℃의 과열 증기로 누설되거나, 초저온의 상실 등의 원인으로 고압 삼중수소가 누설되면 환경 오염 및 방사능 피폭의 위험이 있다.The process, commercialized in the early 1970s, consumes excessive energy by repeating the superheated vaporization of tritiated heavy water in step 1, and in step 2, it separates tritium and deuterium at very low temperatures of minus 250 ° C. The technical problems in the distillation column due to the cryogenic coagulation phenomenon of thermal insulation and impurities, and enormous liquefied energy costs in the process of cryogenic liquefaction of a large amount of tritium deuterium. In addition, when tritiated heavy water leaks from the platinum catalyst tower as superheated steam at 200 ° C., or high pressure tritium leaks due to loss of ultra low temperature, there is a risk of environmental pollution and radiation exposure.

이에, 본 발명자들은 상기한 문제점들을 해결하고자 금속에의 수소동위원소 간의 흡착 경향이 상이한 동위원소 효과를 이용하여, 저온부와 고온부로 구성된 다단의 흡착 공정을 경유하여, 삼중수소화 중수로부터 삼중수소를 분리하는 방법을 연구한 결과, 수소동위원소 분리공정의 단순화, 비용의 절감 및 방사 화학적 안전성이 보장되는 수소동위원소 분리법을 완성하였다.Therefore, the present inventors separate tritium from tritiated heavy water through a multistage adsorption process consisting of a low temperature part and a high temperature part using an isotope effect in which adsorption tendencies between hydrogen isotopes to a metal are solved to solve the above problems. As a result of this study, the hydrogen isotope separation method has been completed, which simplifies the hydrogen isotope separation process, reduces the cost, and guarantees radiochemical safety.

본 발명의 목적은 삼중수소화 중수로부터 삼중수소를 분리하는 방법에 있어서, 고정된 금속수소화물 및 유동하는 수소동위원소를 로타리 밸브를 이용하여 저온부 및 고온부로 구성된 반응기에서 향류접촉시켜 수소동위원소를 분리하는 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is a method for separating tritium from tritiated heavy water, wherein the fixed metal hydride and the flowing hydrogen isotope are countercurrently contacted in a reactor composed of a low temperature part and a high temperature part using a rotary valve to separate hydrogen isotopes. To provide a way.

도 1은 저온부와 고온부로 구성된 수소동위원소 분리공정도 1 is a hydrogen isotope separation process diagram consisting of a low temperature portion and a high temperature portion

도 2는 저온부와 고온부의 열교환 회로도 2 is a heat exchange circuit diagram of a low temperature part and a high temperature part;

도 3은 삼중수소 분리공정도 3 is tritium separation process diagram

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

1∼8 : 반응기 10 : 로타리 밸브1 to 8: Reactor 10: Rotary valve

11 : 회전부 12 : 고정 중심축11: rotating part 12: fixed center axis

13 : 고정판 14, 26, 28 : 주입로13: fixed plate 14, 26, 28: injection

15, 16, 25, 27 : 배출로 31 : 촉매 반응탑15, 16, 25, 27: discharge furnace 31: catalytic reaction tower

32, 35, 36, 37, 41 : 배관 33 : 전기분해조32, 35, 36, 37, 41: piping 33: electrolysis tank

34 : 재결합기 40 : 냉온탑 분리용 로타리 밸브34: recombiner 40: rotary valve for hot and cold separation

본 발명은 삼중수소화 중수로부터 삼중수소를 분리하는 방법에 있어서, 고정된 금속수소화물 및 유동하는 수소동위원소를 로타리 밸브를 이용하여 저온부 및 고온부로 구성된 반응기에서 향류접촉시켜 수소동위원소를 분리하는 방법을 제공하는 것이다.The present invention is a method for separating tritium from tritiated heavy water, the method of separating the hydrogen isotope by the countercurrent contact of the fixed metal hydride and the flowing hydrogen isotope in a reactor consisting of a low temperature section and a high temperature section using a rotary valve To provide.

본 발명에서의 수소동위원소 분리법은 팔라듐 등으로 구성된 금속수소화물과 경수소(H2), 중수소화 경수소(HD), 중수소(D2), 삼중수소화 경수소(HT), 삼중수소화 중수소(DT) 및 삼중수소(T2)의 흡착 정도가 상이한 동위원소 효과를 이용한 것으로, 이러한 효과를 이용하여 저온부 및 고온부로 구성된 다단의 고정상 흡착탑 장치에 로타리 밸브를 통해 수소동위원소가 공급되어진다.Hydrogen isotope separation in the present invention is a metal hydride consisting of palladium and the like, light hydrogen (H 2 ), deuterated light hydrogen (HD), deuterium (D 2 ), tritiated light hydrogen (HT), tritium deuterated (DT) and The isotope effect of the adsorption degree of tritium (T 2 ) is different, and the hydrogen isotope is supplied to the multi-stage fixed bed adsorption tower device composed of a low temperature part and a high temperature part through a rotary valve.

즉, 다단탑을 경유하면서 고체상과 기체상 각각에 계속하여 점진적으로 무거운 또는 가벼운 동위원소가 농축되며, 저온부분과 고온부분에서 반대 방향으로 진행되도록 하여 동위원소를 원하는 수준의 농도까지 분리된다.That is, the heavy or light isotopes are gradually concentrated in the solid phase and the gas phase, respectively, via the multi-stage column, and the isotopes are separated to the desired level by allowing the cold and hot portions to proceed in opposite directions.

상기의 금속수소화물에 사용되는 금속으로는 수소를 흡착하는 금속과 합금이 사용된다. 바람직하게는, 팔라듐, 바나듐, 니오븀, 티타늄, 우라늄 및 LaNi5, CaNi5, Ti0.2V0.3, MmNi2.5Co2.5, MmNi4.5Co2.5, MmNi4.5Al0.3, MmNi4.5Mn0.5, TiCo0.5Fe0.5,LaCo5, VNb, LaNi5-xAlx, TiV, TiCr, TiCr2, TiCrMn, Ti2Mo, TiMo2, TiMn, FeTi, Fe0.6TiMn0.2, TiCo, TiNi, Mg2Ni, MmNi5, V0.9Cr0.1, Pd0.75Al0.25및 ZrNi 의 합금이 사용된다. 여기서 Mm은 Ce, La, Nb, Pr과 기타 희토류 금속의 합금으로, 예를 들면 Ce 50 중량%, La 27 중량%, Nb 16 중량%, Pr 5 중량% 및 기타 희토류 금속 2 중량%로 구성된다.As a metal used for said metal hydride, the metal and alloy which adsorb | suck hydrogen are used. Preferably, palladium, vanadium, niobium, titanium, uranium and LaNi 5 , CaNi 5 , Ti 0.2 V 0.3 , MmNi 2.5 Co 2.5 , MmNi 4.5 Co 2.5 , MmNi 4.5 Al 0.3 , MmNi 4.5 Mn 0.5 , TiCo 0.5 Fe 0.5 , LaCo 5 , VNb, LaNi 5-x Al x , TiV, TiCr, TiCr 2 , TiCrMn, Ti 2 Mo, TiMo 2 , TiMn, FeTi, Fe 0.6 TiMn 0.2 , TiCo, TiNi, Mg 2 Ni, MmNi 5 , V 0.9 Alloys of Cr 0.1 , Pd 0.75 Al 0.25 and ZrNi are used. Where Mm is an alloy of Ce, La, Nb, Pr and other rare earth metals, for example composed of 50% Ce, 27% La, 16% Nb, 5% Pr and 2% other Rare Earth metals. .

이하 첨부한 도면을 참고로 본 발명에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따르는 저온 및 고온 부분의 기능을 갖는 고정상 흡착반응을 이용한 수소동위원소의 분리공정도를 나타낸 도면이다. 1 is a view showing a separation process of the hydrogen isotope using a fixed bed adsorption reaction having a function of the low temperature and high temperature portion according to the present invention.

DT + MD2-> D2+ MDTDT + MD 2- > D 2 + MDT

D2+ MDT -> DT + MD2 D 2 + MDT-> DT + MD 2

상기 반응식에서,In the above scheme,

D는 가벼운 수소동위원소를 나타내며, T는 무거운 동위원소를 나타내고, M은 금속을 나타낸다.D represents light hydrogen isotopes, T represents heavy isotopes, and M represents metal.

수소동위원소 화학 교환반응은 상기 반응식 2 및 3과 같이 나타낼 수 있다. 반응식 2는 금속에 무거운 수소동위원소가 가벼운 것보다 더 잘 흡착되는 경우를 나타내며, 반응식 3은 가벼운 수소동위원소가 무거운 것보다 더 잘 흡착되는 경우를 나타내는 것이다. 상기 반응은 금속의 종류나 반응온도에 따라 반응식 2 또는 3을 따르게 된다.Hydrogen isotope chemical exchange reactions may be represented as in Schemes 2 and 3. Scheme 2 shows the case where heavy hydrogen isotopes are adsorbed better on the metal than light ones, and Scheme 3 shows the case where light hydrogen isotopes are better adsorbed than heavy ones. The reaction follows the reaction formula 2 or 3 depending on the type of metal or the reaction temperature.

상기 반응은도 1의 반응기(1)부터 반응기(8)까지 진행되며, 반응기는 원하는 분리능을 얻기 위해 그 수를 조절하여 설치될 수 있고, 반응기의 길이는 각기 다를 수도 있다. 반응기가 길어질수록 한 개의 반응기가 여러 단의 이론단수 역할을 수행할 수 있게 되며, 반응기에는 상기에 서술한 금속수소화물이 충전되어 있으며, 반응 표면적을 높이기 위해 다공성의 입자 형태로 충전된다.The reaction proceeds from reactor 1 to reactor 8 of FIG. 1, the reactor may be installed by adjusting the number to obtain the desired resolution, and the length of the reactor may be different. As the reactor becomes longer, one reactor can serve as a multi-stage theoretical stage, and the reactor is filled with the above-described metal hydride, and is filled in the form of porous particles to increase the reaction surface area.

구체적으로 보면, 반응기 내에 설치된 금속수소화물은 반응기와 함께 고정된 위치에 설치되어 있고, 수소 기체는 반응기(1)에서 반응기(8)의 방향으로 흘러가며, 또한 수소동위원소의 분리농축을 위해 로타리 밸브(10)을 설치하여, 회전부위를 시계 방향으로 회전시킴으로써, 금속수소화물이 반응기(8)에서 반응기(1) 방향으로 흘러내려 가는 것과 같은 효과를 얻는다. 즉, 금속수소화물은 외형적으로는 고정되어 있으나, 로타리 밸브(10)의 작용으로 인해 수소기체와 향류 접촉을 하게 되는 것이다.Specifically, the metal hydride installed in the reactor is installed in a fixed position with the reactor, the hydrogen gas flows in the direction of the reactor 1 to the reactor 8, and also for rotary concentration of hydrogen isotope By installing the valve 10 and rotating the rotation part clockwise, an effect such as that the metal hydride flows from the reactor 8 toward the reactor 1 is obtained. That is, the metal hydride is fixed in appearance, but is in countercurrent contact with the hydrogen gas due to the action of the rotary valve 10.

로타리 밸브(10)는 회전부(11), 고정 중심축(12) 및 고정판(13)으로 구성되어 있다. 회전부(11)는 회전부위이며, 내부에 U자형 유로 및 Y자형 유로가 제공된다. U자형 유로는 밸브의 회전에 따라 개폐가 반복되는 수소기체 통로이고, Y자형 유로는 고정 중심축(12)으로 공급 및 방출되는 수소기체 유로이다. 고정 중심축(12)은 회전부(11)의 세 개의 유로를 형성하는 수평의 독립된 열린 공간 및 내부에 주입로(14) 및 배출로(15, 16)를 제공한다. 주입로(14)는 원료수소가 유입되는 유로이며, 배출로(15)는 무거운 수소동위원소로 농축되어 배출되는 유로이고,배출로(16)는 가벼운 수소동위원소로 분리되어 배출되는 희박 생성물의 유로를 나타낸다. 고정판(13)은 각 반응기의 입구와 출구로의 배관을 연결해 주는 역할을 한다.The rotary valve 10 is comprised by the rotating part 11, the fixed center axis | shaft 12, and the fixed plate 13. As shown in FIG. The rotating part 11 is a rotating part, and a U-shaped flow path and a Y-shaped flow path are provided therein. The U-shaped flow path is a hydrogen gas passage in which opening and closing is repeated as the valve rotates, and the Y-shaped flow path is a hydrogen gas flow path supplied and discharged to the fixed central axis 12. The fixed central axis 12 provides the injection path 14 and the discharge paths 15 and 16 therein in a horizontal independent open space and inside which form three flow paths of the rotary part 11. The injection path 14 is a flow path into which raw hydrogen is introduced, the discharge path 15 is a flow path concentrated and discharged into a heavy hydrogen isotope, and the discharge path 16 is separated into a light hydrogen isotope to discharge the lean product. Represents a flow path. The fixed plate 13 serves to connect the pipes to the inlet and the outlet of each reactor.

도 1을 이용하여 수소의 흐름을 종합해 보면 다음과 같다. A summary of the flow of hydrogen using FIG. 1 is as follows.

삼중수소화 중수소는 반응기(7)의 하부로 공급되어 반응기(8)을 거쳐 일부는 희박 생성물로 배출되고, 일부는 반응기(1)로 보내지며, 반응기(1)을 지난 수소는 계속하여 반응기(2)와 (3)을 거쳐 반응기(4)를 통과한다. 반응기(4)를 지난 수소의 일부는 무거운 수소동위원소로 농축되어 배출되고, 그 나머지는 반응기(5)를 거쳐 반응기(6)을 지나서 원료 수소와 합류하여 반응기(7)로 주입된다.Tritiated deuterium is fed to the bottom of the reactor (7), through the reactor (8), some are discharged as lean products, some are sent to the reactor (1), and hydrogen passing through the reactor (1) continues to be reactor (2). Pass through reactor (4) through (3) and (3). A portion of the hydrogen passing through the reactor 4 is concentrated and discharged into a heavy hydrogen isotope, and the remainder is introduced into the reactor 7 through the reactor 5, through the reactor 6, and with the raw hydrogen.

한 주기의 수소순환이 완료되면, 금속수소화물에 향류 접촉 효과를 주기 위하여, 로타리 밸브(10)의 회전부(11)가 시계 방향으로 45°만큼 자동화 장치에 의해 회전된다. 이러한 회전에 의해 금속수소화물은 고정되어 있음에도 불구하고 수소와는 향류 접촉 반응을 계속하게 되는 효과가 발생하는 것이다.When one cycle of hydrogen circulation is completed, the rotary part 11 of the rotary valve 10 is rotated by an automatic device by 45 ° clockwise to give a countercurrent contact effect to the metal hydride. This rotation produces the effect of continuing countercurrent contact with hydrogen even though the metal hydride is fixed.

수소동위원소의 분리를 위해 각 반응기는도 2와 같이 온도가 조절된다.도 2는 저온부와 고온부의 열교환 회로도를 나타내는 도면으로서, 배관에는 반응기(1) 외벽에 낮은 온도의 열유체가 공급된다. 낮은 온도의 열유체는 열교환기용 로타리 밸브(24)를 통해 계속하여 반응기(2), (3), 및 (4)를 지나면서 반응기(1), (2), (3) 및 (4)를 냉탑 조건이 되도록 한다. 반응기(4)를 나온 유체는 로타리 밸브(24)의 고정부(23)를 지나 회전부(21)의 유로를 통과한 후 고정중심축(22)의 배출로(25)로 나와서 도면에 표시되지 않은 열교환기에서 배출로(27)로 나오는 높은 온도의 유체와 열교환을 한 후, 다시 주입로(26)를 거쳐 반응기(5)로 공급된다. 계속하여 높은 온도의 이 유체는 반응기(7) 및 (8)을 거쳐 다시 로타리 밸브(24)의 배출로(27)를 통해 열교환기에서 낮은 온도로 바뀐다. 이 유체는 다시 주입로(28)를 통해 로타리 밸브(24)를 거쳐 반응기(1)로 공급되는 주기를 반복한다.Each reactor is temperature controlled as shown in FIG. 2 for the separation of hydrogen isotopes. FIG. 2 is a diagram showing a heat exchange circuit diagram of a low temperature part and a high temperature part, wherein a low temperature heat fluid is supplied to an outer wall of the reactor 1 in a pipe. The low temperature heat fluid continues through reactors 2, 3, and 4 through a rotary valve 24 for the heat exchanger, thereby passing through reactors 1, 2, 3, and 4. Allow cold tower conditions. The fluid exiting the reactor 4 passes through the fixed part 23 of the rotary valve 24, passes through the flow path of the rotary part 21, and then exits the discharge path 25 of the fixed center shaft 22, which is not shown in the drawing. After exchanging heat with the fluid of high temperature exiting the outlet 27 from the heat exchanger, it is again supplied to the reactor 5 via the injection passage 26. This high temperature fluid is then passed through reactors 7 and 8 back to the low temperature in the heat exchanger via outlet 27 of rotary valve 24. This fluid is repeated in a cycle in which the fluid is supplied to the reactor 1 through the injection valve 28 via the rotary valve 24.

도 2에서 로타리 밸브(24)의 회전부위는 시계 반대 방향으로 45°만큼 자동화 장치에 의해 회전하며, 이 자동화 장치는도 1의 수소 주입로(14), 배출로(15) 및 배출로(16)을 변환하는 로타리 밸브(10)의 자동화 장치에 연동되어 있으며, 열교환기의 각 출구에는 손실 열을 보상하는 보조 열교환장치들이 설치되어 있다. In FIG. 2 , the rotary part of the rotary valve 24 is rotated by the automation device counterclockwise by 45 °, which is the hydrogen injection passage 14, the discharge passage 15 and the discharge passage 16 of FIG. 1. It is linked to the automation device of the rotary valve 10 for converting the), and each outlet of the heat exchanger is provided with auxiliary heat exchangers for compensating for the lost heat.

원자로의 삼중수소화 중수로부터 삼중수소를 분리하는 공정을도 3을 통하여 상세히 설명한다.The process of separating tritium from the tritiated heavy water of the reactor will be described in detail with reference to FIG. 3 .

촉매 반응탑(31)에서 향류 접촉시켜 수소동위원소 화학교환 반응을 하는 단계(단계 1);Making a hydrogen isotope chemical exchange reaction by countercurrent contact in the catalytic reaction tower 31 (step 1);

전기 분해조(33)에서 삼중수소화 중수소를 생성하는 단계(단계 2);Generating tritiated deuterium in the electrolysis tank 33 (step 2);

로타리 밸브(40)를 이용한 농축 및 제거 단계(단계 3); 및Concentration and removal using rotary valve 40 (step 3); And

재결합기(34)에서 중수소와 산소의 결합에 의한 중수를 합성하는 단계(단계 4)로 구성된다.It is composed of the step (step 4) of synthesizing heavy water by the combination of deuterium and oxygen in the recombiner (34).

단계 1은 촉매 반응탑(31)내에서 원자로에서 생성된 삼중수소화 중수는 삼중수소화 중수소와 향류 접촉 반응을 하면서 수소동위원소 화학교환 반응을 하여 삼중수소의 농도를 높이는 단계이다.Step 1 is a step of increasing the concentration of tritium by the hydrogen isotope chemical exchange reaction while the tritiated heavy water produced in the reactor in the catalytic reaction tower 31 undergoes a countercurrent contact reaction with the tritiated deuterium.

단계 2는 전기 분해조(33)에서 하기 반응식 4에 의해 삼중수소화 중수소를생성하는 단계이다.Step 2 is a step of generating tritium deuterated by the following Scheme 4 in the electrolysis tank (33).

2DTO -> 2DT + O2 2DTO-> 2DT + O 2

상기 반응식 4에서,In Scheme 4,

DTO는 삼중수소화 중수이고, DT는 삼중수소화 중수소이다.DTO is tritiated deuterium and DT is tritiated deuterium.

단계 3은 삼중수소화 중수소를 냉온탑 수소동위원소 분리용 로타리 밸브(40)로 주입하여 고농도로 농축 및 제거하는 단계이다.Step 3 is a step of injecting tritium deuterium into a rotary valve 40 for separating a hot and hot tower hydrogen isotope and concentrating and removing it at a high concentration.

단계 4는 상기 반응식 4에서 발생한 산소와 촉매반응탑(31)에서 수소동위원소 화학교환 반응을 마친 중수소와 재결합하여 중수로 합성하는 단계이다.Step 4 is a step of recombining with oxygen generated in the reaction formula 4 and deuterium in the catalytic reaction tower (31) after the hydrogen isotope chemical exchange reaction is synthesized in heavy water.

촉매 반응탑(31)내에는 폴리스티렌 디비닐벤젠, 소수성 탄소 등의 소수성 다공질 담체에 백금, 로듐 등의 주기율표상 8족 금속이 도포된 촉매 물질 및 삼중수소화 중수의 퍼짐을 돕기 위한 액상의 충전물질로 채워져 있으며, 재결합기(34)에는 중수소의 산화 반응을 촉진시키기 위해 주기율표상 8족 금속을 사용하는 촉매가 채워져 있고, 재결합 반응으로 생성된 중수는 삼중수소 함량이 매우 낮은 상태이며, 배관(35)를 통해 원자로로 다시 순환 공급된다[M. Benedict, T. H. Pigford & H. W. Levi,Nuclear Chemical Engineering, McGraw-Hill Book Campany 2th, p756].In the catalytic reaction column 31, a catalyst material coated with a periodic group 8 metal such as platinum and rhodium on a hydrophobic porous carrier such as polystyrene divinylbenzene and hydrophobic carbon, and a liquid filler to help spread tritiated heavy water. The recombiner 34 is filled with a catalyst using a Group 8 metal on the periodic table to promote the oxidation reaction of deuterium, and the heavy water produced by the recombination reaction has a very low tritium content. Is fed back to the reactor via [M. Benedict, TH Pigford & HW Levi, Nuclear Chemical Engineering , McGraw-Hill Book Campany 2th, p756].

본 발명의 삼중수소 분리공정을 실시예의 수치로서 자세히 설명한다.The tritium separation process of the present invention will be described in detail as numerical values of the examples.

배관(32)를 통해 촉매 반응탑(31)로 공급되는 삼중수소화 중수의 양은 20gmol/h이며, 삼중수소의 농도는 원자분율로 10 ppm이고, 상기 원료수의 방사능 농도는 29 Ci/kg이다.The amount of tritiated heavy water supplied to the catalytic reaction tower 31 through the pipe 32 is 20 gmol / h, the concentration of tritium is 10 ppm in atomic fraction, and the radioactivity concentration of the raw water is 29 Ci / kg.

배관(35)를 통해 원자로로로 재순환 공급되는 처리후 낮은 삼중수소 농도의 중수의 양은 19.98 gmol/h이며, 삼중수소의 농도는 원자분율로 1 ppm이다.The amount of heavy water having a low tritium concentration after treatment which is recycled to the reactor through the pipe 35 is 19.98 gmol / h, and the concentration of tritium is 1 ppm in atomic fraction.

배관(36)을 통해 로타리 밸브(40)으로 공급되는 농축된 삼중수소화 중수소 기체의 양은 0.342 gmol/h이며, 삼중수소의 농도는 원자분율로 1,000 ppm이다.The amount of concentrated tritiated deuterium gas supplied to the rotary valve 40 through the pipe 36 is 0.342 gmol / h, and the concentration of tritium is 1,000 ppm in atomic fraction.

로타리 밸브(40)에서 촉매 반응탑(31)로 재순환되는 중수소 기체의 유량은 0.324 gmol/h이며, 삼중수소의 농도는 원자분율로 500 ppm이다.The flow rate of deuterium gas recycled from the rotary valve 40 to the catalytic reaction tower 31 is 0.324 gmol / h, and the concentration of tritium is 500 ppm in atomic fraction.

촉매 반응탑(31)의 상부층을 흘러내리는 중수의 유량은 50 gmol/h이다.The flow rate of the heavy water flowing down the upper layer of the catalytic reaction tower 31 is 50 gmol / h.

배관(32)에서의 중수소 중의 삼중수소 농도는 원자분율로 7.43 ppm이다.The tritium concentration in deuterium in the pipe 32 is 7.43 ppm in atomic fraction.

배관(37)에서의 중수 중의 삼중수소 농도는 원자분율로 502.44 ppm이다.The tritium concentration in the heavy water in the pipe 37 is 502.44 ppm in atomic fraction.

로타리 밸브(40)으로 공급되는 삼중수소화 중수소 기체의 삼중수소 농도는 원자분율로 1.000 ppm이며, 이는 배관(36)으로부터 로타리 밸브(40)의 고정축(12)의 배관을 통해 냉온탑 수소동윈원소 분리공정으로 유입된다.The tritium concentration of the tritiated deuterium gas supplied to the rotary valve 40 is 1.000 ppm in atomic fraction, which is from the pipe 36 through the pipe of the fixed shaft 12 of the rotary valve 40 to run the cold and hot hydrogen. It flows into the element separation process.

냉온탑 수소동위원소 분리공저에서 농축된 삼중수소 기체는 고정축(12)에 설치된 배관(41)을 통해 유량 0.018 gmol/h이며, 삼중수소 원자분율 10,000 ppm의 농도로 생산되고, 배관(41)에서 생산되는 삼중수소 기체의 방사능은 145 kCi/kg에 해당된다.The tritium gas concentrated in the cold / hot tower hydrogen isotope separation cavity is produced at a concentration of 0.018 gmol / h, a tritium atomic fraction of 10,000 ppm, through a pipe 41 installed on the fixed shaft 12, and the pipe 41. The radioactivity of the tritium gas produced at is equivalent to 145 kCi / kg.

로타리 밸브(40)의 고정축(12)에서 방출되는 또 다른 삼중수소화 중수소 기체의 삼중수소 농도는 원자분율로 500 ppm이며, 배관(37)을 통해 촉매반응탑(31)으로 재순환 된다.The tritium concentration of another tritiated deuterium gas discharged from the fixed shaft 12 of the rotary valve 40 is 500 ppm in atomic fraction, and is recycled to the catalytic reaction tower 31 through the pipe 37.

촉매반응탑(31)은 80 ℃의 온도로 운전되며, 중수소와 삼중수소화 중수 간의 수소동위원소 분리계수 α의 값은 1.4232이다. 또한, 총 소요 이론단수가 38단이며, 상부로부터 배관(32)까지가 19단, 배관(32)부터 배관(37)까지가 17단, 그리고 배관(37)로부터 하부까지는 2단으로 구성되어 있다.The catalytic reaction tower 31 is operated at a temperature of 80 ° C., and the value of the hydrogen isotope separation coefficient α between deuterium and tritiated heavy water is 1.4232. In addition, the total required theoretical stage is 38 stages, 19 stages from the upper part to the piping 32, 17 stages from the piping 32 to the piping 37, and two stages from the piping 37 to the lower part are comprised. .

본 발명에서 제공하는도 1의 반응기 내에는 금속 수소화물을 형성하는 팔라듐계 흡착제가 충전되어 있으며, 이 흡착제는 팔라듐 75 중량%, 알루미늄 25 중량%의 조성을 갖는다. 수십 ㎛ 입도의 팔라듐과 알루미늄 분말을 혼합한 후, 압착하여 펠렛으로 만든 다음, 불활성 기체 분위기에서 가열하여 생성된 고체를 파쇄하여 얻어진 분말 중에서 입자 크기가 0.5∼1.0 ㎜에 해당하는 것만 얻는다. 이 분말은 아르곤 분위기에서 250 ℃로 가열하고, 1Pa의 진공에서 탈기한 후 수소동위원소로 수 차례 흡착과 탈착을 반복하는 활성화 과정을 거쳐서 도 1의 반응기에 충전되어 사용된다.In the reactor of FIG. 1 provided in the present invention, a palladium-based adsorbent for forming a metal hydride is filled, and the adsorbent has a composition of 75 wt% palladium and 25 wt% aluminum. Palladium having a particle size of several tens of micrometers and aluminum powder are mixed, compacted to pellets, and then obtained in a powder obtained by crushing the solid produced by heating in an inert gas atmosphere to obtain only those having a particle size of 0.5 to 1.0 mm. The powder is heated to 250 ° C. in an argon atmosphere, degassed in a vacuum of 1 Pa, and then charged and used in the reactor of FIG. 1 through an activation process of repeating adsorption and desorption several times with hydrogen isotopes.

도 3의 로타리 밸브(40)를 통해 공급되는 삼중수소화 중수소는 90 ℃에서 반응하며, 이 때 고상과 기상간의 수소동위원소 분리계수 αH는 1.275이다. 반면에 삼중수소가 고상에서 기상으로 이전되는 10 ℃에서 운전되는 반응기에서의 분리계수 αC는 1.5223이다. The tritiated deuterium supplied through the rotary valve 40 of FIG. 3 reacts at 90 ° C., and the hydrogen isotope separation coefficient αH between the solid phase and the gas phase is 1.275. On the other hand, the separation coefficient αC in the reactor operated at 10 ° C. in which tritium is transferred from the solid phase to the gas phase is 1.5223.

반응기의 소요 이론단수는 총 70단이며, 90 ℃의 온탑 부분은 총 37단으로 공급 배관(36)을 기준으로 해서 상부는 9단, 하부는 28단이며, 10 ℃의 냉탑 부분은 총 33단으로 구성되어 있다. 물론 본 계산은 일 예에 불과하며, 최적화 설계를수행함으로써 비용을 최소화할 수 있다.The required number of theoretical stages of the reactor is 70 stages in total, and the on-top portion of 90 ° C is 37 stages in total, with 9 stages at the top and 28 stages at the bottom of the supply pipe 36. It consists of. Of course, this calculation is just one example and the cost can be minimized by performing an optimization design.

상기한 예와 같은 삼중수소를 분리하는 공정에도 1과 같은 분리공정을 계속하여 여러 단계의 직렬식 시리즈로 연결 설치함으로써 삼중수소를 고순도로 농축할 수 있고,도 3과 같은 삼중수소 공정도에서 삼중수소화 중수로부터 삼중수소를 중수소 쪽으로 이동시킴에 있어서, 기상촉매반응 또는 순수한 액상 촉매반응을 이용하는 공정을 사용할 수 있으며,도 3의 촉매 반응탑과 재결합기가 없이 단순히 원자로로부터 오는 삼중수소화 중수를 전기분해하여 생성된 삼중수소화 중수소를 직접 로타리 밸브(40)를 통해 공급하여 삼중수소를 분리할 수 있다.In the process of separating tritium as in the above example, by continuing to install the separation process as shown in Figure 1 in series series of several stages can be concentrated tritium in high purity, triple in the tritium process diagram as shown in FIG. In moving tritium from hydrogenated heavy water to deuterium, a process using a gas phase catalyst reaction or a pure liquid phase catalytic reaction may be used, and the tritiated heavy water coming from a reactor without electrolysis without the catalytic reaction tower of FIG. The generated tritium deuterium may be directly supplied through the rotary valve 40 to separate tritium.

상기한 예는 삼중수소를 분리하는 공정이지만,도 1의 공정을 사용하여 경수소화 중수소를 분리하는 방법으로 이용할 수 있고, 이 경우에도도 1의 공정을 여러 단계의 직렬식 시리즈로 연결하여 다단계 분리 농축함으로써 천연수소 또는 부분적으로 농축된 중수소와 경수소의 혼합물을 고농도의 중수소와 경수소로 분리할 수 있다. 또한, 상기 장치는 본 발명의 방법을 적용하기 위한 일 예이며, 필요에 따라 적절한 장치로 적용가능하다.The above example is a process of separating tritium, but can be used as a method of separating light hydrogenated deuterium using the process of FIG. 1 , and in this case, the process of FIG. By concentration, natural or partially concentrated mixtures of deuterium and light hydrogen can be separated into high concentrations of deuterium and light hydrogen. In addition, the apparatus is an example for applying the method of the present invention, it is applicable to the appropriate apparatus as needed.

상술한 바와 같이 본 발명은 금속에의 수소동위원소 간의 흡착 경향이 상이한 동위원소 효과를 이용한 것으로서, 저온부와 고온부로 구성된 다단 반응기를 수소동위원소기체가 통과하고, 정지되어 있는 다단 반응기가 로타리 밸브(10)의 작용에 의해 수소동위원소 기체와 향류 접촉을 하게 하는 효과를 통하여, 삼중수소 분리의 단순화, 비용의 절감 효과 및 방사 화학적 안전성이 보장되는 수소동위원소의분리법을 제공할 수 있다.As described above, the present invention utilizes an isotope effect in which the adsorption tendency between hydrogen isotopes to the metal is different, and the hydrogen isotope gas passes through a multistage reactor composed of a low temperature part and a high temperature part, and the stationary multistage reactor is a rotary valve ( Through the effect of making the countercurrent contact with the hydrogen isotope gas by the action of 10), it is possible to provide the separation method of the hydrogen isotope which simplifies the tritium separation, the cost reduction effect and the radiochemical safety.

Claims (5)

저온부와 고온부를 포함하여 구성되며 그 내부에 금속수소화물이 고정되어 있는 반응기에, 유동하는 수소 기체를 로타리 밸브를 통해 투입하여 수소 기체로부터 수소동위원소를 흡착하여 분리해 내는 것을 특징으로 하는 수소동위원소의 분리방법.Hydrogen isotrope, comprising a low temperature part and a high temperature part, in which a flowing hydrogen gas is introduced through a rotary valve to adsorb and separate hydrogen isotopes from the hydrogen gas into a reactor having metal hydride fixed therein. Separation method of elements. 제 1항에 있어서, 금속수소화물로 사용되는 금속은 팔라듐, 바나듐, 니오븀, 티타늄, 우라늄, LaNi5, CaNi5, Ti0.2V0.3, MmNi2.5Co2.5, MmNi4.5Co2.5, MmNi4.5Al0.3, MmNi4.5Mn0.5, TiCo0.5Fe0.5, LaCo5, VNb, LaNi5-xAlx, TiV, TiCr, TiCr2, TiCrMn, Ti2Mo, TiMo2, TiMn, FeTi, Fe0.6TiMn0.2, TiCo, TiNi, Mg2Ni, MmNi5, V0.9Cr0.1, Pd0.75Al0.25및 ZrNi 합금 중에서 선택된 것이고, 이 때 Mm은 Ce, La, Nb, Pr 및 희토류 금속 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 수소동위원소의 분리방법.The metal used as the metal hydride is palladium, vanadium, niobium, titanium, uranium, LaNi 5 , CaNi 5 , Ti 0.2 V 0.3 , MmNi 2.5 Co 2.5 , MmNi 4.5 Co 2.5 , MmNi 4.5 Al 0.3 , MmNi 4.5 Mn 0.5 , TiCo 0.5 Fe 0.5 , LaCo 5 , VNb, LaNi 5-x Al x , TiV, TiCr, TiCr 2 , TiCrMn, Ti 2 Mo, TiMo 2 , TiMn, FeTi, Fe 0.6 TiMn 0.2 , TiCo, TiNi , Mg 2 Ni, MmNi 5 , V 0.9 Cr 0.1 , Pd 0.75 Al 0.25 and ZrNi alloy, wherein Mm is selected from Ce, La, Nb, Pr and rare earth metals . 제 1항에 있어서, 로타리 밸브(10)와 저온부와 고온부로 구성된 반응기 장치를 직렬로 연결하여 여러 단계 설치하는 것을 특징으로 하는 수소동위원소의 분리 방법.2. The method for separating hydrogen isotopes according to claim 1, wherein a rotary valve (10) and a reactor device composed of a low temperature part and a high temperature part are connected in series and installed in several stages. 제 1항에 있어서, 수소동위원소는 삼중수소화 중수를 직접 전기분해하거나,기상 촉매반응 또는 액상 촉매반응에 의해 중수소와 접촉하여 삼중수소화 중수소로 제조되거나, 액상촉매 반응 후에 전기분해조(33)에서 농축된 삼중수소화 중수의 전기분해에 의해 제조된 삼중수소화 중수소를 사용하는 것을 특징으로 하는 수소동위원소의 분리방법.The method of claim 1, wherein the hydrogen isotope is produced by the tritized deuterium by directly electrolyzing tritiated deuterium water, or by contacting deuterium by a gas phase catalytic reaction or a liquid phase catalyst reaction, or in the electrolysis tank 33 after the liquid phase catalyst reaction. Separation method of hydrogen isotope characterized by using tritiated deuterium produced by electrolysis of concentrated tritium deuterium. 제 1항에 있어서, 수소동위원소는 천연수소 또는 부분적으로 농축된 중수소와 경수소의 혼합물인 것을 특징으로 하는 수소동위원소의 분리방법.2. The method of claim 1, wherein the hydrogen isotope is a mixture of natural hydrogen or partially concentrated deuterium with light hydrogen.
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US11685671B2 (en) 2021-07-23 2023-06-27 POSTECH Research and Business Development Foundation Hydrogen isotope adsorbent with differential binding properties to hydrogen isotopes, manufacturing method thereof and method for separating hydrogen isotopes using the same

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