JPH04230897A - トリチウムの回収方法および装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に、化学的に結合
した形態にあるトリチウムを含有する不純物を有する水
素の同位体の混合物から主としてなるガスからトリチウ
ムを回収するための方法および装置に関する。本発明の
用途の一つは、核融合炉からの廃ガスの清浄化である。

【０００２】

【従来の技術】核融合炉の廃ガスからトリチウムを回収
するに際し、元素水素の同位体類を他のガス成分すなわ
ち、不純物から分離しなければならず、元素水素同位体
類は、成分プロチウム、ジューテリウムおよびトリチウ
ムの分離のためにさらに処理され、不純物は、廃棄され
る。しかしながら、不純物は、一般に化学的に結合した
形態でトリチウムを含んでいるため、これを回収しなけ
れば不純物を安全に廃棄することはできない。廃ガスか
らの不純物の分離、およびトリチウムを回収するための
不純物の処理は、燃料処理ループによって達成される。

【０００３】燃料処理ループ（ＦＰＬ）のための主な要
件は、Ｃｎ　Ｑｍ　、ＣＯ、Ａ、ＣＯ２　、Ｎ２　、Ｎ
Ｑ３　、Ｏ２　、およびＱ２　Ｏのような少量の不純物
を含有する三重水素化水素（Ｑ２　、ここで、Ｑ＝Ｈ、
ＤまたはＴ）流を受け入れること、不純物から三重水素
化水素を分離すること、およびこれを最終トリチウム精
製のための同位体分離システムにＱ２　の形態で送るこ
とである。残りのトリチウムが除去された不純物は、廃
棄ガス処理システムに送られる。

【０００４】いくつかの異なるＦＰＬプロセスが以下に
示すように提案されている。

【０００５】触媒的不純物分解を用いたＰｄ／Ａｇ浸透
［Ｒ．−Ｄ．ペンゾーン、Ｒ．ロドリグス、Ｍ．ググラ
、Ｋ．ギュンテル、Ｈ．ヨシダおよびＳ．コニシ、“Ａ
　Ｃａｔａｌｙｔｉｃ　Ｐｌａｓｍａ　Ｅｘｈａｓｔ　
Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　”、フュー
ジョン・テクノロジー１４，　ｐ．　４５０，　１９８
８］途中の不純物の水への転化を回避する選択的接触分
解と組み合わされた、パラジウム／銀合金パーミエータ
による水素同位体精製。

【０００６】熱Ｕ−ベッド水分解を用いた接触酸化［Ｊ
．Ｌ．ヘマリッチ、Ａ．ドンブラ、Ｃ．ゴードン、Ｅ．
グロスコップスおよびＡ．コンタスタンテロス、“Ｔｈ
ｅ　Ｉｍｐｕｒｉｔｙ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｌｏｏ
ｐ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＪＥＴ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｇａｓ　
Ｈａｎｄｌｉｎｇ　Ｐｌａｎｔ”、フュージョン・テク
ノロジー１４，　ｐ．　４５０，　１９８８］接触再結
合器中で全ての不純物が完全に酸化され、三重水素化さ
れた水がコールドトラップ中で凍結され、ついで熱ウラ
ニウム粉末上で分解される。この反応で遊離した水素同
位体は、冷Ｕ−ベッド中でＨｅキャリアーガスから掃引
される。

【０００７】接触酸化および電気分解を用いたＰｄ／Ａ
ｇ浸透［Ｓ．コニシ、Ｍ．イノウエ、Ｈ．ヨシダ、Ｙ．
ナルセ、Ｈ．サトウ、Ｋ．ムタおよびＹ．イマムラ、“
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｆｏ
ｒ　ｔｈｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｌｅａｎｕｐ　Ｐｒｏｃｅｓ
ｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＴｒｉｔｉｕｍＰｒｏｃｅｓｓｉｎ
ｇ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ”、フュージョン・テクノロ
ジー１４，　ｐ．　５９６，　１９８８］水素同位体は
、Ｐｄ／Ａｇパーミエータによって不純物から分離され
る。全ての三重水素化不純物は、酸化され、三重水素化
水は、電気分解されて元素水素同位体を生成し、これら
は、第２のＰｄ／Ａｇパーミエータによって除去される
。

【０００８】熱Ｕ−ベッド不純物分解および低温吸着［
Ｐ．シラおよびＥ．ハッター、“Ｔｒｉｔｉｕｍ　Ｃｌ
ｅａｎｕｐ　ｏｎ　Ｈｏｔ　Ｕｒａｎｉｕｍ　Ｐｏｗｄ
ｅｒ　”、フュージョン・テクノロジー１４，　ｐ．６
０８，　１９８８］精製されるべきプロセスガスは、微
細なウラニウム粉末を含有する熱ベッド中に通される。 この工程で、不純物化合物は、分解され、元素Ｏ、Ｃお
よびＮは、ウラニウムの酸化物、炭化物および窒化物と
して吸着される。５００℃以上の温度で、水素同位体は
、もはや、ウラニウムと水素化物を生成せず、ベッド中
を通される。後流のモレキュラーシーブ中で、全ての残
存不純物および幾分かの水素が−１９６℃で低温吸着さ
れる。

【０００９】低温収着、接触酸化および電気分解［Ａ．
オハラ、Ｋ．アシベおよびＳ．コバヤシ，“Ｆｕｅｌ　
Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ａ
　Ｔｏｋａｍａｋ　Ｔｙｐｅ　Ｆｕｓｉｏｎ　Ｒｅａｃ
ｔｏｒ”フュージョン・エンジニアリング、会報第１巻
、燃料エンジニアリングについての第１２回シンポジウ
ム、１０月１２−１６日、１９８７、モンテレー、カリ
フォルニア、ｐ７４３］［Ｅ．Ｃ．カー、Ｊ．Ｒ．バー
トリットおよびＲ．Ｈ．シャーマン、“Ｆｕｅｌ　Ｃｌ
ｅａｎｕｐ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｔｒｉｔ
ｉｕｍ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｔｅｓｔ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ
　”ＡＮＳトピカル・ミーティング、分裂、融合および
同位体適用におけるトリチウムテクノロジー、１９８０
、ｐ１１５］ヘリウム以外の不純物を分離するために低
温吸着が用いられる。分離された不純物は、ＮＱ３　お
よびＣｎ　ＱｍをＱ２　Ｏ、Ｈ２　ＯおよびＮ２　へ転
化させるために、接触酸化される。ついで、水が電気分
解され、同位体分離システムに送られる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記の全ての方法にお
いて、ＦＰＬは、全てのＣｎ　Ｑｍ　、Ｑ２　Ｏおよび
ＮＱ３　不純物をＱ２　流に分解し、これを同位体分離
システムに送らなければならないものと考えられていた
。単に不純物をＨ２　で除去し（ｓｗａｍｐｉｎｇ）、
ついで不純物化合物中のトリチウムをプロチウム（Ｈ）
と交換するということについては、一考もなされていな
かった。このアプローチは、恐らく、考慮されたことは
なかった。これにより、同位体分離システムのＨ／Ｔ分
離のための負荷が増大するからである。しかしながら、
本発明者らの最近の研究により、Ｈ／Ｔ分離のための同
位体分離システムのサイジングは、廃水の脱三重水素化
およびペレットインジェクタープロペラント清浄化に対
する要求によって主に決定されることが分かった。ＦＰ
Ｌからの少量の付加的なＨ２　／ＨＤ／ＨＴ流の添加は
、同位体分離システムの設計に実質的に衝撃を与えない
。

【００１１】本発明の課題は、上記知見に基づいた、改
善されたトリチウム回収方法および装置を提供すること
である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、トリチウムを
化学的に結合された形態で含有する不純物を有する元素
水素同位体類からなるガス状混合物からトリチウムを回
収するための方法であって、（ａ）該ガス状混合物を、
元素水素同位体から実質的になる、不純物のない第１の
フラクションと、該不純物を含有する第２のフラクショ
ンとに分離し、（ｂ）トリチウムに欠乏する水素を該第
２のフラクションに添加し、（ｃ）該添加された水素を
該第２のフラクションのトリチウム含有不純物と平衡化
させ、（ｄ）該平衡化混合物を、元素水素同位体から実
質的になる不純物のない富化フラクションと、該不純物
を含有する欠乏化フラクションとに分離し、該欠乏フラ
クションに対して、不純物からトリチウムが充分に除去
されるまで、連続サイクルシーケンスで、工程（ｂ）、
（ｃ）および（ｄ）を繰り返し、トリチウムが除去され
た不純物を廃棄し、該不純物のないフラクションの同位
体を分離することを包含する方法を提供する。

【００１３】本方法は、バッチ方法であり得、各バッチ
の不純物含有フラクションは、不純物からトリチウムが
充分に除去されるまで連続的に循環され、燃料処理ルー
プ中のガスは、実質的に一定の圧力に維持される。

【００１４】本方法の特別の利点は、Ｑ２　Ｏを生成さ
せるための不純物の酸化が不要であり、したがってその
後の三重水素化水の取扱いおよび還元が不要であるとい
うことである。また、現存するプロセスと対照的に、本
発明の方法は、予測不可能性を伴う複雑な化学的分解に
依存しない。

【００１５】

【実施例】核融合炉燃料処理システムプラズマクリーン
アップループに適用した本発明の好ましい態様を図面を
参照して説明する。

【００１６】図１のシステムは、核融合炉からのトーラ
ス真空廃ガス流を処理するためのものである。廃ガスは
、典型的には、以下の組成を有する。

【００１７】 ＤＴ　　　　　　　　０．９３７モル分率Ｈ　　　　　
　　　　　０．０１０モル分率Ｈｅ　　　　　　　　０
．０３３モル分率不純物　　　　　　０．０２０モル分
率。

【００１８】公称流量は、７５モル／ｈである。不純物
は、トリチウム、並びにジューテリウムおよびプロチウ
ムを化学的に結合された形態で含有する。かくして、不
純物は、典型的に、ＣＯ、ＣＯ２　、Ｎ２　、Ｃｎ　Ｑ
ｍ　、ＮＱ３　、Ｏ２　、Ｑ２　Ｏ、およびＡｒ（ここ
で、Ｑ＝Ｈ、ＤまたはＴ）を含む。このクリーンアップ
ループの目的は、不純物中に含まれたより重質の水素同
位体を回収することである。

【００１９】図１を参照して、処理されるべきガス状混
合物は、廃ガス源１０からポンプ１１によってＰｄ／Ａ
ｇパーミエータ１２に送られ、このパーミエータは、該
混合物を、元素水素同位体から実質的になる、不純物の
ない第１のフラクションと、不純物を含有する第２のフ
ラクションとに分離する。第１のフラクションは、元素
水素同位体の同位体成分を分離するために低温蒸留シス
テム１３へ至る。原理的に、パーミエータ１２は、７７
Ｋの温度で動作する低温吸着器のような他の分離装置で
置き換えることができる。しかしながら、本実施例では
、トリチウムインブェントリーを最小限にするために、
パーミエータを選択している。ガス状混合物の残りの不
純物含有フラクションは、プラズマクリーンアップルー
プ中でバッチ方式で処理され、連続バッチは、圧力容器
１４、１５中に貯蔵される。

【００２０】プラズマクリーンアップループは、高温同
位体交換反応器１６、循環ポンプ１７、Ｐｄ／Ａｇパー
ミエータ１８、および流量規制弁１９を含む。圧力容器
１４、１５は、それぞれ、弁２０、２１によって、およ
び弁２２、２３によって、ループ中で選択的に接続され
る。圧力容器は、それぞれの弁２４、２５によってパー
ミエータ１２と相互に接続されて、処理すべきガスを受
け入れ、またそれぞれの弁２６、２７およびポンプ２８
を介して脱三重水素化不純物を処理するための廃棄ガス
処理システムに接続される。

【００２１】まず、両方の圧力容器を排気したら、弁２
４を開放し、パーミエータ１２からの不純物含有フラク
ションを受け入れる。弁２５は、閉じたままである。第
１の圧力容器１４内のガスの圧力がある値、例えば、圧
力測定手段３０で測定して２５ｋＰａに達したら、弁２
４を閉じ、弁２５を開放し、第２のバッチの準備のため
にパーミエータ１２からの不純物含有ガスの流れを第２
の圧力容器に再び向けるようにする。この時点で、圧力
容器１４をクリーンアップ中で接続し、圧力応答弁１３
を開放して水素源３２からトリチウム欠乏水素をループ
中に許容させる。水素の受け入れは、ガス圧が１００ｋ
Ｐａに達するまで続け、その時点で、循環圧縮器１７を
スタートさせる。循環圧縮器１７は、不純物および元素
水素同位体の混合物を反応器１６を通して吸引し、そこ
で混合物は、同位体的に平衡化される。

【００２２】圧縮器１７の後流側で、元素水素同位体は
、パーミエータ１８を介して除去され、除去された水素
同位体は、同位体分離のための低温蒸留システムへ送ら
れる。残存する不純物含有フラクションは圧力容器へと
返還される。水素の添加は、圧力容器中に１００ｋＰａ
の圧力を維持するために、添加された水素が圧力容器の
２０の体積変化に等価となるまで、続けられる。これは
、第１のバッチのトリチウム含量を約２ｘ１０−９であ
るｅ−２０　のファクターだけ減少させ、残った不純物
を直接環境へ廃棄することを可能とする。ループ中のガ
スの循環は、水素添加を停止した後でも、バッチ中の水
素同位体がパーミエータ１８を浸透して同位体分離シス
テム１３へ至るまで続けられる。ついで、循環圧縮器１
７を停止し、システムを排気する。弁２６を開放し、脱
三重水素化不純物を廃ガス処理システム２９へ送る。

【００２３】次ぎに、圧力容器１５中の不純物含有ガス
の第２のバッチを同様に処理する。本方法は、操作のた
めに長いサイクル時間を要する部材、例えば、モレキュ
ラーシーブベッド（これは、再生に時間を要する）を必
要としない。それ故、トリチウムインベントリーを最小
限にするために、例えば、４時間といった短いサイクル
時間を使用できる。この方式の重要な特徴は、Ｐｄ／Ａ
ｇパ−ミエ−タ１２、１８が不純物と水素種（Ｑ２　）
との明確な分離を行なうように設計されている必要がな
いことである。なぜならば、この方法がこの工程におい
て不純物の高度の脱トリチウム効率に依存していないか
らである。

【００２４】この特徴により、パ−ミエ−タの寸法が、
他の設計によるＰｄ／Ａｇパ−ミエ−タよりも可なり縮
小されることになる。このパ−ミエ−タ１２は圧力容器
１４（１５）に送られる水素種（Ｑ２　）の分圧が全圧
の２５％に維持されるような寸法に作られている。

【００２５】この分離効率は分子篩吸着器に匹敵するも
のである。実際に、このパ−ミエ−タ１２は、その下流
側の工程の設計に殆ど影響を及ぼすことなく、分子篩低
温吸着器で置換えることができる。

【００２６】圧力容器１４内での不純物および残留水素
同位体（アイソト−プ）の４時間の蓄積の後において、
当初のプラズマ廃ガス流中の酸素はパ−ミエ−タ１２中
にて反応し、Ｑ２　Ｏを形成していると推定される。

【００２７】この推定は、パ−ミエ−タ１２が高熱の大
きい触媒面積を提供し、この反応を促進するものである
ことから、当然と思われる。この推定に基づいて、水素
で浸す前後における圧力容器の内容物の量を以下の表１
に示す。

【００２８】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表
　　　　１　　成分　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　分　　圧　　（ｋＰａ）　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　当　　初　　　　　　　
　　　　　　　　　Ｈ２　で浸したのち　　Ｑ２　　　
　　　　　　　　　　　　６．２５　　　　　　　　　
　　　　　　　８１．２５　　Ｈｅ　　　　　　　　　
　　　１２．１３　　　　　　　　　　　　　　　　１
２．１３　　Ｃｎ　Ｑｍ　　　　　　　　　　　４．１
２　　　　　　　　　　　　　　　　　　４．１２　　
ＮＱ３　　　　　　　　　　　　　０．２９　　　　　
　　　　　　　　　　　　　０．２９　　Ｑ２　Ｏ　　
　　　　　　　　　　０．４４　　　　　　　　　　　
　　　　　　　０．４４　　ＣＯ　　　　　　　　　　
　　　　０．５９　　　　　　　　　　　　　　　　　
　０．５９　　Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　０
．２９　　　　　　　　　　　　　　　　　　０．２９
　　ＣＯ２　　　　　　　　　　　　　０．２９　　　
　　　　　　　　　　　　　　　０．２９　　Ｎ２　　
　　　　　　　　　　　　　０．５９　　　　　　　　
　　　　　　　　　　０．５９従って、圧力容器が室温
（３００°Ｋ）であるから、圧力容器の容積は２．０ｍ
３　となる。

【００２９】上記の方法において、貧トリチウム水素の
圧力容器への添加は４時間サイクルの最初の３．５時間
に亘っておこなわれる。加えられる水素の全量は圧力容
器の２０倍、すなわち、３００°Ｋの温度、１００ｋＰ
ａにおいて４０ｍ３　（１６００モル）となる。

【００３０】従って、水素添加割合は１１．４ｍ３　／
時間または４５７モル／時間となる。従って、パ−ミエ
−タ１８は、Ｈ２　を４５７モル／時間、透過し得るよ
うに設計されている。なぜならば、浸し（スワンピング
）はＱ２　が主にＨ２　の形となるようにするものであ
るからである。

【００３１】パ−ミエ−タ１８から圧力容器に戻る流れ
におけるＱ２　の分圧は全圧の２５％である。

【００３２】従って、反応器１６を通りパ−ミエ−タ１
８へ流れる全流速は６１０モル／時間となる。

【００３３】［高温アイソト−プ交換反応器の設計］室
温において、メタンおよび水素のようなガス状の種間の
アイソト−プ平衡は極めて緩慢である。この反応速度を
促進するため、ガス状混合物に高温で金属触媒を接触さ
せる必要がある。

【００３４】残念ながら、トリチウムの存在下において
、従来の充填ベッド型の触媒反応器を設計しようとする
と、２つの競合問題に当面する。

【００３５】１．反応器の寸法を小さくするためには、
反応器の操作温度をできるだけ高くする必要がある。

【００３６】２．トリチウムの反応器壁への透過を最小
にするためには、反応器の操作温度をできるだけ低くす
る必要がある。

【００３７】この競合問題に鑑みると、アイソト−プ交
換反応を促進するためには、熱線反応器が最も適してい
る。この熱線反応器はＰｔ金属熱線コイルを軸心に備え
た水平チュ−ブからなり、１１７３°Ｋ以上の温度で操
作される。この熱線はセラミックスペ−サを適当位置に
設けることにより反応容器の壁面と接触しないようにな
っている。この熱線反応器の特徴は以下の通りである。

【００３８】１．寸法が小さく、熱線が非常に暑くなる
ため、熱線表面での反応速度は急激である。

【００３９】２．熱線が反応容器の壁面と接触していな
いため、反応容器の壁面を室温近傍に保つことができる
。これにより、トリチウムの反応器壁面の透過をきわめ
て僅かにさせることができる。

【００４０】３．水素雰囲気下において、Ｐｔ熱線の悪
化は起こらない。なぜならば操作温度が十分に高く、Ｃ
Ｏ等の触媒有害物を排出、または水素化するからである
。したがって、反応器の効率が時間とともに減少する虞
もない。

【００４１】反応容器１６の壁面は水ジャケットに冷水
を通水することにより、３５０°Ｋ以下の温度に保持さ
れる。反応器内の平均ガス温度は約５００°Ｋであり、
これにより反応器を通る全流速は、１００ｋＰａで０．
００７０ｍ３　／秒である。

【００４２】反応器の直径は０．１５ｍ、長さは２．０
ｍであり、これにより全容積は０．０３５ｍ３　、表面
速度は約０．４３ｍ／秒、滞留時間は約５．０秒となる
。

【００４３】反応器１６の平衡効率は、反応物および製
品の熱線表面への、および熱線表面からの移動速度、反
応器内での滞留時間、および熱線表面での反応速度によ
り決定される。

【００４４】浸し操作の初めの短時間を除いて、関与す
る平衡反応は以下の通りである。

【００４５】 ＣＨ３　Ｔ＋Ｈ２　＝ＣＨ４　＋ＨＴ　　　　　　　　
　　　　　　（１）ＮＨ２　Ｔ＋Ｈ２　＝ＮＨ３　＋Ｈ
Ｔ　　　　　　　　　　　　　　（２）ＨＴＯ＋Ｈ２　
＝Ｈ２　＋ＨＴ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（３）この表面触媒化反応の工程は以下のようにして進
む。

【００４６】１．反応物の表面への移動。

【００４７】２．反応物の表面での吸着３．反応物の表
面での平衡（製品の形成）４．製品の表面からの滲出 ５．製品の表面からの移動 平衡の全体的速度は、これらの工程の最も遅いものによ
り決定され、通常、最も遅い工程は、低温では工程２ま
たは４、高温では工程１または５である。

【００４８】反応器１６の熱線は、以下に述べる熱およ
び物質移動計算に基づき、直径が０．００１ｍ、長さが
１０ｍとする。

【００４９】［熱および物質の対流移動］反応器内での
熱および物質の移動は反応器を通る約０．４３ｍ／秒の
表面速度および熱の対流に基づくものである。空塔速度
がきわめて遅いので、反応器内での熱および物質の移動
は、主に熱線の著しい高温と冷たい反応器の壁面による
熱的対流により引き起こされる。

【００５０】この熱の対流により反応器のガス質物質が
よく混合されることになる。

【００５１】熱線からの対流熱移動はグラスホフ数、Ｇ
ｒおよびプラントル数Ｐｒの関数として以下のごとく示
される。

【００５２】 　　　　Ｇｒ＝［Ｄ３　Ｇｄ　２　ｇ（Ｔｗ　−Ｔｇ　
）／Ｔ］／μ２　　　　　　　　　　　　　　　（４）
　　　　Ｐｒ＝Ｃｐ　μ／Ｋ　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　（５）ここで、Ｄは熱線の直径（ｍ）、
Ｇｄ　はガス密度（ｋｇ／ｍ３）、ｇは重量に基づく加
速度（９．８ｍ／ｓ２　）、Ｔｖ　は熱線の温度（Ｋ）
、Ｔｇ　はガスの温度（Ｋ）、Ｔ＝０．５（Ｔｗ　＋Ｔ
ｇ　）は熱線表面での境界層の平均温度、μはガスの粘
度（ｋｇ／ｍ．ｓ）、Ｃｐ　は一定圧力でのガスの熱容
量（Ｊ／ｋｇ．Ｋ）、ｋはガスの熱伝導率（Ｊ／ｓ．ｍ
．Ｋ）である。物性、μ、Ｃｐ　、ｋは平均温度Ｔで評
価される。

【００５３】Ｔｗ　が１１７３Ｋ、Ｔｇ　がほぼ５００
Ｋのとき、平均温度Ｔは８３６．５Ｋとなり、ガスが主
としてＨ２　であるから、物性は以下の通りとなる。

【００５４】 μ＝１．７×１０−５ｋｇ／（ｍ．ｓ．）＝０．０２９
ｋｇ／ｍ３　、 Ｃｐ　＝１．４４×１０４　Ｊ／（ｋｇ．Ｋ）、ｋ＝０
．３０Ｊ／（ｍ．ｓ．Ｋ） 従って、０．００１ｍ径の熱線についてのグラスホフ数
は、Ｇｒ＝０．０２３となり、プラントル数は、Ｐｒ＝
０．８２となる。これらを掛けた数、Ｇｒ×Ｐｒ＝０．
０１９となり、長い水平シリンダからの自由対流に対す
る相関から熱伝導率、ｈｍ　は、ｈｍ　Ｄ／ｋ＝０．７
１で与えられる。従って、ｈｍ　＝２３１Ｊ／ｍ２　．
ｓ．Ｋとなる。

【００５５】熱線の長さ１ｍ当たりの対流熱損失の割合
は、 　　　　Ｑ／Ｌ＝ｈｍ　Ａ×（Ｔ／Ｌ）＝ｈｍ　πＤ・
Ｔ　　　　　　　　　　＝（２１３）（π）（０．００
１）（６７３）＝４５０Ｗ／ｍとなる。

【００５６】反応器の熱線の長さが１０ｍであるから、
全体の対流熱損失は４．５ｋＷとなる。

【００５７】反応器内での熱および物質の対流移動は、
チルトン−コルバ−ン類比から以下のように関連させる
ことができる。

【００５８】 　　　　ｈｍ　Ｄ／ｋ＝ｋｍ　Ｄ／ｃＤＡＢ＝０．７１
　　　　　　　　　　　　　　　　（６）ここにおいて
、ｋｍ　は物質移動係数（ｍ／ｓ）、ｃは全ガス濃度（
モル／ｍ３　）、ＤＡＢはガス中の反応種の拡散性であ
る。

【００５９】平衡反応に関し、物質移動工程を制限する
割合は、熱線表面での境界層を通るＣＱ４　の拡散であ
る。ガスが殆どＨ２　であるから、物質移動係数、ｋｍ
　の計算に必要な付加的物性（平均温度Ｔでの）は以下
の通りである。

【００６０】 　　　　ＤＡＢ＝３．４×１０−４ｍ２　／ｓ　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（７）　　
　　　　ｃ＝１４．４モル／ｍ３　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（８）従って
、物質移動係数は、ｋｍ　＝３．５ｍ／ｓとなる。 ＣＱ４　モル分率が、ｘ＝０．０４であるから、熱線１
ｍ当たりのＣＱ４　の移動割合は、以下の通りとなる。

【００６１】 　　Ｎ／Ｌ＝ｋｍ　Ａｘｃ／Ｌ＝ｈｍ　πＤｘｃ　　　
　　　　　＝（３．５）（π）（０．００１）（０．４
）（１４．４）　　　　　　　　＝０．００６４モル／
ｓ＝３．９４×１０２１分子／ｍ／ｓ急速な対流のため
、反応器内のガス分はよく混合されるものと思われる。 反応速度を制限する物質移動抵抗は、熱線表面の境界層
を通過する拡散によるものである。

【００６２】熱線の長さが１０ｍであるから、反応器内
の物質移動は０．０６４モル／ｓのＣＱ４　を熱線表面
に移送させるのに十分なものである。反応器１６が合計
０．０３４モルのＣＱ４　を収容するから、ＣＱ４の殆
ど全てが毎０．５３秒ごとに熱線と接触することになる
。

【００６３】反応容器内の滞留時間が５秒であるから、
その表面への物質移動速度はより適当なものとなる。従
って、ＣＱ４　／Ｈ２　平衡反応速度は物質移動を制限
するものとならない。

【００６４】［輻射熱移動］反応容器壁面と比較して熱
線が高温であるため、熱線からこの壁面に対し輻射熱移
動が生じる。これにより反応器の冷却がもたらされる。 また、熱線は壁面からみて、立体角の僅かな一部を占め
るに過ぎないから、その放射熱はほとんど熱線に再び戻
ることはないと思われる。すなわち、ほぼ黒体に対して
有効に放射されるものと考えられる。

【００６５】従って、熱線からの輻射熱損失の上限、ｑ
（Ｗ／ｍ）は以下の通りとなる。

【００６６】 　　　　ｑ＝πＤεＴｗ　σ４　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（９）ここ
で、Ｄは熱線の直径（ｍ）、σはステファン−ボルツマ
ン定数、σ＝５．６７×１０−８ｅｒｇ／（ｃｍ２　．
ｓＫ４　）、Ｔｗ　はワイヤ−の温度で、１１７３Ｋ、
εは操作温度でのＰｔワイヤ−のエミッタンスで、ほぼ
０．２である。

【００６７】したがって、輻射熱損失は８４Ｗ／ｍ、ま
たは熱線、１０ｍ全体について、８４０Ｗである。

【００６８】［ＣＱ４　／Ｈ２　交換］金属触媒を用い
ての炭化水素の重水素との交換速度については、文献、
キャタリシス・オブ・メタル（Ｃａｔａｌｙｓｉｓ　　
ｏｆ　　Ｍｅｔａｌ）、アカデミック・プレス、ロンド
ン、１９６２年に言及されている。これにはトリチウム
についての交換速度のデ−タがほとんどないが、ＣＨ４
　／Ｄ２　システムについての詳細な研究が、シ−・ケ
ンボ−ル（Ｃ．Ｋｅｍｂａｌｌ）によりなされている。 全てのＱについてのＣＱ４　／Ｑ２　交換速度も、大き
さはほぼ同様と思われる。

【００６９】一般に、飽和炭化水素については、種々の
触媒を用いた研究はいづれも、その結果について一致す
る。すなわち、反応性の順位は以下の通りである。

【００７０】メタン＜ネオペンタン＜エタン＜プロパン
＜イソブタン＜ｎ−ブタン＜全ての高級炭化水素この順
位は、速度判定工程において破壊される炭素−水素結合
の強度を反映している。メタンは全ての飽和炭化水素の
中で一番反応性が小さいので、反応器１６の寸法につい
てはメタンについての情報を用いるのが安全である。

【００７１】Ｐｔを用いての段階的Ｑ２　／ＣＱ４　交
換のための活性化エネルギ−、Ｅは約１０５ｋＪ／モル
である。上記文献からのデ−タによれば、Ｐｔ金属表面
における段階的交換速度ｒ（モルｍ−２ｓ−１）は、以
下のように、絶対温度Ｔ（Ｋ）の関数として表される。

【００７２】 　　　　ｒ＝２．０×１０３０ｅ−Ｅ／ＲＴ　＝２．０
×１０３０ｅ−１２６２９／Ｔ　　　　　　（１０）し
たがって、もし、Ｐｔ熱線を１１７３Ｋの温度で操作さ
せた場合、その表面での交換速度は、４．２×１０２５
モルｍ−２ｓ−１となる。

【００７３】Ｐｔ熱線の直径が０．００１ｍ、表面積が
０．００３１４ｍ２　／ｍであるから、熱線１ｍ当たり
の交換速度は１．３２×１０２３分子／ｓとなる。また
、熱線の長さが１０ｍであるから、反応器１６を流れる
ＣＱ４　流は０．００６８モル／ｓ、または４．１×１
０２１分子／ｓとなり、熱線表面での交換速度は必要な
最小のものの約３２２倍となる。

【００７４】［ＮＱ３　／Ｈ２　およびＱ２　Ｏ／Ｈ２
　交換］一般にＰｔを用いてのＮＱ３　／Ｈ２　および
Ｑ２　Ｏ／Ｈ２　交換速度は、ＣＱ４　／Ｈ２　交換速
度より大きい。従って、これらの交換反応は反応器１６
の寸法に何らの影響も与えない。

【００７５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明は、例えば国
際熱核実験反応器（ＩＴＥＲ）からの廃ガスの処理に用
いられる新規な高温燃料処理ル−プ装置を提供する。

【００７６】この新規な装置は、不純物の触媒酸化また
は分解に基づく従来のル−プ型のものと比較して種々の
利点を有する。なぜならば、不純物の酸化またはＤＴＯ
の電気分解の必要性がなくなり、複雑な触媒的分解反応
に依存しないからである。

【００７７】本発明の装置において、トリチウムは、高
温反応器中でＨ２　による浸し、および混合物の同位体
的平衡により、トリチウム化メタン、アンモニアおよび
水のごとき不純物から交換により取出される。この反応
器は軸心にＰｔ金属熱線を備えた水平なチュ−ブからな
り、１１７３Ｋの高温で操作される。反応器の壁面は室
温近くまで冷却され、透過を無視し得るレベルまで減少
させる。

【００７８】この反応器の下流には，水素アイソト−プ
と不純物とを分離するためのＰｄ／Ａｇパ−ミエ−タが
設けられている。分離されたＨ２　／ＨＴ流は、ついで
トリチウム回収のためのアイソト−プ分離システムに送
られる。

【００７９】この装置の重要な部分は、Ｐｔ熱線反応器
である。この反応器のための設計計算が、公にされた平
衡反応速度および熱、物質移動理論に基づいて提供され
ている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わるプラズマ・クリ−ン
アップ・ル−プの要部を示す核融合反応器燃料処理シス
テムの回路を模式的に示す回路図。

【符号の説明】

１０…廃ガス源、１１…ポンプ、１２…Ｐｄ／Ａｇパ−
ミエ−タ、１３…低温蒸留システム、１４、１５…圧力
容器、１６…高温同位体交換反応器、１７…循環圧縮器
、１８…Ｐｄ／Ａｇパ−ミエ−タ、３０…圧力測定手段
、３２…水素源。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　トリチウムを化学的に結合された形態
   で含有する不純物を有する元素水素同位体類からなるガ
   ス状混合物からトリチウムを回収するための方法であっ
   て、（ａ）該ガス状混合物を、元素水素同位体から実質
   的になる、不純物のない第１のフラクションと、該不純
   物を含有する第２のフラクションとに分離し、（ｂ）ト
   リチウム欠乏水素を該第２のフラクションに添加し、（
   ｃ）該添加された水素を該第２のフラクションのトリチ
   ウム含有不純物と平衡化させ、（ｄ）該平衡化混合物を
   、元素水素同位体から実質的になる不純物のない富化フ
   ラクションと、該不純物を含有する欠乏化フラクション
   とに分離し、（ｅ）該欠乏化フラクションに対して、不
   純物からトリチウムが充分に除去されるまで、連続サイ
   クルシーケンスで、工程（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）を
   繰り返し、（ｆ）トリチウムが除去された不純物を廃棄
   し、および（ｇ）該不純物のないフラクションの同位体
   を分離することを包含する方法。
2. 【請求項２】　　平衡化工程（ｃ）を高温同位体交換反
   応器中で行う請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】　　平衡化を少なくとも１１００Ｋの温度
   で行う請求項２記載の方法。
4. 【請求項４】　　平衡化混合物を不純物のないフラクシ
   ョンと不純物を含有するフラクションとに分離する工程
   をＰｄ／Ａｇパーミエータ中で行う請求項１記載の方法
   。
5. 【請求項５】　　不純物からトリチウムが充分に除去さ
   れるまで不純物含有ガスを反応器中に連続的に再循環さ
   せ、同位体回収のために不純物のないガスを連続的に分
   離し、実質的に一定のガス圧を維持するためにトリチウ
   ム欠乏水素を再循環ガスに連続的に添加する請求項３記
   載の方法。
6. 【請求項６】　　トリチウムを化学的に結合された形態
   で含有する不純物を有する元素水素同位体類の混合物を
   包含する融合炉の廃ガスからトリチウムを回収するため
   のバッチ方法であって、（ａ）処理すべき廃ガスの１の
   バッチを、元素水素同位体から実質的になる第１のフラ
   クションと、該不純物を含有する第２のフラクションと
   に分離し、（ｂ）該第１のフラクションを、それからト
   リチウムを回収するために、同位体分離プラントへ送り
   、（ｃ）該第２のフラクションを圧力容器へ通し、（ｄ
   ）トリチウム欠乏水素を該圧力容器に通じて所定の圧力
   を達成し、（ｅ）該圧力容器の内容物を高温同位体交換
   反応器へ送ってトリチウム欠乏水素を該第２の該第２の
   フラクションのトリチウム含有不純物と平衡化させ、（
   ｆ）該平衡化混合物を、元素水素同位体から実質的にな
   る不純物のない富化フラクションと、該不純物を含有す
   る欠乏化フラクションとに分離し、（ｇ）該不純物のな
   いフラクションを、それからトリチウムを回収するため
   に、同位体分離プラントへ送り、（ｈ）該欠乏化不純物
   含有フラクションを該圧力容器へ戻し、（ｉ）不純物が
   充分に除去されるまで該欠乏化不純物含有ガスを該圧力
   容器および該反応器中に再循環させ、一方該不純物のな
   いフラクションを該同位体分離プラントへ送り、該所定
   の圧力を維持するためにトリチウム欠乏水素を該再循環
   ガスへ連続的に添加し、および（ｊ）不純物を廃棄する
   ことを包含する方法。
7. 【請求項７】　　第２のフラクションを圧力容器に通す
   前に、圧力容器を排気する請求項６記載のバッチ方法。
8. 【請求項８】　　平衡化を少なくとも１１００Ｋの温度
   で行う請求項７記載の方法。
9. 【請求項９】　　平衡化混合物を不純物のないフラクシ
   ョンと不純物を含有するフラクションとに分離する工程
   をＰｄ／Ａｇパーミエータ中で行う請求項８記載の方法
   。
10. 【請求項１０】　　廃ガスのバッチを第１のフラクショ
    ンと第２のフラクションとに分離する工程をＰｄ／Ａｇ
    パーミエータ中で行う請求項９記載の方法。
11. 【請求項１１】　　処理すべき廃ガスの第２のバッチを
    、元素水素同位体から実質的になる第１のフラクション
    と、該不純物を含有する第２のフラクションとに分離し
    、該第１のフラクションを同位体分離プラントへ送り、
    該第２のフラクションを第２の圧力容器へ通し、トリチ
    ウム欠乏水素を該圧力容器に通じて所定の圧力を達成し
    、工程（ｉ）の後、第１の圧力容器から反応器を遮断し
    、第２の圧力容器を反応器に接続し、第２のバッチに対
    して、工程（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）および（ｉ
    ）を繰り返し、および第２のバッチの不純物を廃棄する
    ことをさらに包含する方法。
12. 【請求項１２】　　トリチウムを化学的に結合された形
    態で含有する不純物を有する元素水素同位体類からなる
    ガス状混合物を脱三重水素化するための方法であって、
    （ａ）該ガス状混合物を、元素水素同位体から実質的に
    なる、不純物のない第１のフラクションと、該不純物を
    含有する第２のフラクションとに分離し、（ｂ）トリチ
    ウム欠乏水素を該第２のフラクションに添加し、（ｃ）
    該添加された水素を該第２のフラクションのトリチウム
    含有不純物と平衡化させ、（ｄ）該平衡化混合物を、元
    素水素同位体から実質的になる不純物のない富化フラク
    ションと、該不純物を含有する欠乏化フラクションとに
    分離し、（ｅ）該欠乏化フラクションに対して、不純物
    からトリチウムが充分に除去されるまで、サイクルシー
    ケンスで、工程（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）を繰り返し
    、（ｆ）トリチウムが除去された不純物を廃棄し、およ
    び（ｇ）後の同位体分離のために該不純物のないフラク
    ションを回収することを包含する方法。