JPS5838207B2 - デユ−テリウムおよびトリチウムを含む混合物からヘリウム等の不純物を除去する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はデューテリウムとトリチウムとを含む混合物か
らヘリウムおよびその他の不純物を除去する方法、およ
びこのような方法に従って純化されたデューテリウム／
トリチウム混合物、そして？層特定的には融合反応器か
ら取り出される廃プラズマを処理する方法に関する。

本発明の方法は、以下の融合反応によって生或されるヘ
リウムにより汚染されたデューテリウムとトリチウムと
の混合物により生成されるプラズマに適用可能である： Ｄ＋．Ｔ→Ｈ（十中性子 約２ないし３％といった非常に低い濃度の、ＣＯ，ＣＯ
２，Ｎ２，ＮＯ，ＮＯｔＮ（’ＤｔＴ）ｓ’ｔｃ（Ｄ，
Ｔ）４Ｃ２（Ｄ，Ｔ）６のような他の不純物がおそらく
プラズマ中に存在する。

プロチウムさえも１％より低い濃度で存在するものと予
想される。

これらの不純物は多くの要因から由来しているが、その
うちの主な要因は、物質の脱ガス現象とたとえ極少量と
はいえ空気の滲透とする。

従来的な技術は、実際の融合燃焼（ ｆｕｓｉｏｎｂｕ
ｒｎ ）中に蓄積することの予想される上述の不純物を
含有するテユーテリウムとトリチウムとの処理に関連す
る開示に富んでいる。

このような燃料サイクルに関する既知の処理のための設
計にあっては、選択的な不純物の低温分離および水素同
位元素の低温蒸溜のような極度に費用のか＼りそして非
常に進歩した方式を採用するものと予想される。

これらの装置およびこの方法に関連する他の装置の全般
的な規模のため、これら装置を密閉するために大きな設
備が必要となる。

その上、安全規則のため、事故の際にトリチウムを緊急
に除去する装置を保有することが義務づけられている。

この反応のためには、大気中へのトリチウムの放水量を
、日増しに厳格になる現在の水準以下に保つために、多
犬の投資と高い運転費とが必要である。

本発明は、廃プラズマの取り出し工程からの燃料のおよ
び融合反応器からの、燃料の不純物のサイクルの完全化
、ヘリウムおよび不純物からの水素同位元素の純化、水
素同位元素のその酸化物への酸化、トリチウム酸化物を
含有しない水およびデューテリウムー｝ ＩＪチウム酸
化物の混合物を取り出すための水素同位元素酸化物の蒸
溜、デューテリウムートリチウム酸化物のＤ２およびＴ
２への電解、そして最後に、これらのモル組成が正確に
調整された後でのトロイド状反応室（ ｔｒｏｉｄａｌ
ｃｈａｍｂｅｒ ）への最終的噴入を可能にする方法の
発見に関連する。

本発明に従うに、デューテリウムとトリチウムとを含む
混合物から、二原子の結合したあらゆる形の水素の同位
元素を分離し；この分離した同位元素をその対応する酸
化物へと酸化し；このようにして生或する酸化物から酸
化トリチウムと酸化デューテリウムートＩＪチウムとを
分離し；かつ分離した酸化物をデューテリウムとトリチ
ウムとに電解する工程を包含するデューテリウムとトリ
チウムとを含む混合物からヘリウムおよびその他の不純
物を除去する方法が提供される。

酸化物は減圧下の蒸溜により分離するのが好ましく、過
剰の酸化デューテリウムを蒸溜工程に供給するのが好ま
しい。

同位元素一分離工程を実施するのにパラジウム隔膜を用
いるのが好ましい。

同位元素一分離工程からの廃生成物は酸化されてよくま
た酸化された生成物は不純物を排出する前に分子篩乾燥
器によって吸着されてよい。

酸化物一分離工程からの廃生或物は二原子の結合したあ
らゆる形のトリチウムを除去するために、選択的電解に
よる補完的純化にかけ、この除去されたトリチウムを次
に同位元素一酸化工程に循環するのが好ましい。

本発明の好ましい態様においては、デューテリウムとト
リチウムとの不純な混合物は、融合反応器の廃生或物で
あり、また純化されたデューテリウム／トリチウム混合
物は反応器に循環される。

本発明はまた、その方法に従って純化される時デューテ
リウム／トリチウム混合物を提供する。

この方法はすべてのトリチウム、デューテリウム融合反
応器に対して適用可能であり、また反応器の運転方式に
ついていかなる選択がなされようと、換言すれば連続式
もしくは断続式（ｐｕｌｓｅｄ）反応器のいづれが関与
しようとも適用可能である。

第ｌの場合、１日あたり処理すべきトリチウムとテユー
テリウムとの量を算出することは非常に困難である。

なぜならばそれが異った技術的方式〔ダイバーター（ｄ
ｉｖｅｒｔｏｒ ）もしくは冷ガスプランケツ｝ （
ｂｌａｎｋｅｔ）の使用〕に依存するからである。

一方第２の場合、２ ０ ０ ０ ＭＷの熱動力反応器
で燃焼／運転休止比（ｂｕｒｎ，／ｄｏｗｎ ｒａｔｉ
ｏ）が０．７８で燃焼度が１０％である場合、燃料はＤ
２およびＴ２の等モル量のもの１日あたり約３７０１で
あろうが、これは１分あたり処理される燃料の量２．５
７ｇに相当する。

添附の図面はトリチウムーデューテリウム融合反応器の
廃生成物を処理するための方法を略解的流れ図にて示す
。

融合反応器のトロイド状反応室１から、０．１ないし３
０％である濃度の不純物とＨ３とを含有する、燃焼度（
ｂｕｒｎ−ｕｐ ）に達した廃プラズマをフラツター弁
（ ｆｌｕｔｔｅｒ ｖａｌｖｅ） ２および管３を経
てクリオソーブション（ｃｒｙｏｓｏｒｐｔ ｉｏｎ）
ポンブ４へとポンプ送りする。

クリオソーブションポンプは飽和しているので、凝縮し
かつ吸収されたガスは加熱により放出されかつダイヤプ
ラムもしくは二重ベローズポンプ６によって、管５およ
び７を経て分離器８に移送される。

この装置はパラジウム隔膜装置８を通過する不純物から
水素同位元素のほとんど完全な分離を可能にする。

分離方式を改良するために第２のパラジウム隔膜装置１
０を管９によって装置８に連結する。

水素同位元素は管１１により管１６に、次いで燃焼器１
７に循環され、そこで過剰の酸素の存在でガスが酸化物
１８の形にほとんど完全に変化される。

未燃焼のものはダイヤフラムポンブ４３により管１９を
経て循環される。

残留する水素同位元素をすべて定量的にその酸化された
形に変化するだめに、非常に有効な接触酸化反応器が管
１９上におかれている。

異った種類の複数の触媒が用いられる。

これらは通常、その表面に白金、パラジウムもしくはＣ
ｕＯが沈積している小型のペレットである。

他に採用可能なものはホブカライト（Ｈｏｐｃａｌｉｔ
ｅ ）である。

温度は室温に保つことができるが、ある種の場合に、Ｎ
（Ｄ，Ｔ）３もしくはＣ（Ｄ．Ｔ）４のような痕跡量の
不純物がたまたま存在する時、これらをＮ２，ＣＯ２，
Ｄ２０およびＴ２０に変化するために温度を４００〜５
００℃にせねばならない。

加えて、燃焼器内でならびに接触反応器４５内で生戒す
るＤ２０，Ｔ２０およびＨ２０（″：２１％）をすべて
凝縮するために循環略上に凝縮器４４がおかれる。

ヘリウムおよび、上述の化学的形態でトリチウムとデュ
ーテリウムとを含む不純物は、大気中に排出されてはな
らず、トリチウムをすべて回収するために処理されねば
ならない。

このプロセスにおいては、ガスは管１２を経て別な一つ
の、５００℃にある接触酸化反応器１３に供給され、Ｄ
２０，Ｔ２０，（Ｈ２０く１％）を吸収するために管１
４−および２４を経て分子篩乾燥装置２５に移送される
。

次にガスは、反応が完結するまで移送ポンブ４６により
連続的に再循環される。

残留ガス２６は次いで煙突もしくは廃棄処理装置に供給
される。

これらの装置における水の負荷を最少にするために、で
きるだけ多くの水を除去するように接触反応器１３の下
流に凝縮器１５がおかれる。

装置２５は並列的な２基の分子篩乾燥器からなる。

これらの一つは 機用であり、乾燥窒素流により水を脱
着するために他の一つが加熱されている間〔突破点（ｂ
ｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ ｐｏｉｎｔ）到達する前に〕
運転される。

水３８は凝縮器３６によって収集され、凝縮器１５およ
び４４からの水２０，２１とともに、移送ポンブ２２に
より管２３により蒸溜塔２８に連続的に供給される。

水の投入量が少いので、非常に小型の蒸溜塔しか必要と
ならず、従ってこのことは、塔の内容量の少ないことに
みあってトリチウムの滞留量を少くなくすることを可能
にする。

凝縮器３６からの残留ガス３７は排出される。

トリチウムの滞留量をさらに減少するために、減圧下、
例えば１０ないし５０ｍｍＨｇという圧力下にある塔に
過剰の液体Ｄ２０を添加する方法を利用することができ
る。

この蒸溜塔の主たる目的は、ブロチウム型の水、Ｈ２０
，ＨＤＯのほとんどＨＴＯ，Ｄ２０，ＤＴＯ，Ｔ２０の
ような他の型のものから分離するためである。

少量例えば１％のブロチウム誘導体は、長時間にわたっ
ての全還流運転を実用的に可能にしまたブロチウムに富
む少割合の留出物を時々抜出すことを可能にする。

他の目的はＤ２０，Ｔ２０，ＤＴＯの塔底混合物を抜出
すことである。

実験的な結果およびこれを補完する理論によると、必要
な分離は、約２００段の理論段、圧縮ワイヤーで充填さ
れた直径１５ｃｒＩＬおよび高さ４ｍの塔を使用するこ
とにより達成されることが示唆される。

蒸溜塔は分離効率を高めるために真空下で操作される。

実際に、Ｈ２０とＴ２０との混合物が関係するかぎり、
この効率は１００℃での１．０５４３から２５℃での１
．１９９４９まで変化しうる。

（Ｄ，Ｔ）０２７は電解槽３３に移送され、そこでＴ２
ｊＤ２および０２に分解される。

前二者３４はダイヤフラムポンプ４２によりガス貯蔵装
置３９に、次いでトロイド状反応室１に供給するために
燃料噴入装置４０にポンプ送りされる。

接触反応に用いる０２３５はダイヤフラムポンブ４１に
より循環する。

Ｈ２０，ＨＤＯおよびＤ２０からなる溜出物は、全部の
流れのモル数に対して１０−３％程度の少量のＤＴＤと
ともに、選択的電解によりＴ２からＨ２とＤ２とを補完
的に純化するために電解槽３０に管２９により移送され
る。

この分離は、電解槽内の酸化トリチウムの量が非常に少
いので可能である。

この電解は、電解質としてＮａＯＨ，Ｈ２Ｓ０４もしく
は他の塩もしくはイオン交換膜を用い、ニッケルもしく
は鉄／ニッケルからなる陽極を用いる小型の電解槽によ
り実施される。

水素がデューテリウムでおきかえられている塩が、電解
に際して酸素から水素を分離することのできる例えば石
綿もしくは類似の多孔性材料の隔膜を湿潤するために用
いられる。

他の物質および新規な技巧をこらした電解槽もまた用い
ることができる。

例えば、電解槽３３はその内容量に基＜トリチウムの滞
留量を減少するために蒸気相にて運転することができよ
う。

この場合、蒸溜塔の下流のＤ２０−Ｔ２０の供給混合物
を蒸発することが必要である。

この方法においては、デュポンによってナフイオン（Ｎ
ＡＦＩＯＮ）と称される商業型のイオン交換膜を用いる
ことができる。

電解槽３０からの残留液は管３１により塔２８に返戻さ
れる。

痕跡量のＴ２を含むＨ２，Ｄ２が電解槽３０の陰極から
放出され、３２として排出される。

一方電解槽の陽極に発生するＯ２４７は燃焼器１７に循
環される。

水素の同位元素の電解分離を支配する方程式は容易に導
入される。

重い同位元素は陰極においてブロチウムよりもゆっくり
と放出される。

分離の効率は、デューテリウムおよびトリチウムのブロ
チウムに対する分離係数であるαおよびβの値に依存し
、電解質および電極の選択に従って敏感に変化する。

既に得たデータは、トリチウム濃度が低い場合は特に、
良好な分離が得られるのに十分なだけすでに高い。

図面にはただ一つの電解槽が示されている。

しかし、大気中へのトリチウムの排出のためのもしくは
その処理のための安全に関する要求を満足するために、
多段操作電解槽を用いることができよう。

別な態様（図示せず）においては、ブロチウム形の水の
分離を容易にするために第２の蒸溜塔を用いることがで
きる。

この場合、第１の塔２８はＤＴＯとＴ２０との主な部分
を塔頂物を分離する。

この塔はこの分離負荷のために比較的小さい直径しか必
要としないので、単一の塔にくらべてトリチウムの必要
とする滞留量がより少い。

トリチウム形の水からのＨ２０とＨＤＯとの最終的な分
離は、第１の塔２８の留出物を第２の塔の中間に供給す
ることにより実施する。

第２の塔はトリチウムを含む形の水がより少い量で処理
されるので、第１の塔２８よりも大型となりうる。

第２の塔からの留出物は電解槽３０に供給するが、一方
塔底残留分は塔２８の中間に返戻するかもしくはプロセ
スの要求に従って電解槽３３に直接送入する。

【図面の簡単な説明】

図面はトリチウムーデューテリウム融合反応器の廃生或
物を処理する方法を略解するものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ デューテリウムとトリチウムとを含む混合物からパ
   ラジウム膜を使用して二原子の結合したあらゆる形の水
   素の同位元素を分離し；この分離した同位元素をその対
   応する酸化物へと酸化し；このようにして生戒した酸化
   物から蒸留により酸化トリチウムと酸化デューテリウム
   ートリチウムとを分離し；かつ分離した酸化物をデュー
   テリウムとトリチウムとに電解する工程を特徴とするデ
   ューテリウムとトリチウムとを含む混合物からヘリウム
   およびその他の不純物を除去する方丸