NL193238C - Pellet voor de sorptie van waterstofisotoop. - Google Patents

Description

1 193238

Pellets voor de sorptie van waterstofisotoop

De uitvinding heeft betrekking op een pellet voor de sorptie van waterstofisotoop, bestaande uit een schil, d|e doorlaatbaar is voor de te sorberen waterstofisotoop, met daarin ingesloten een waterstof-sorberend 5 materiaal.

Een dergelijke pellet is bekend uit US-S-4.133.426 en bestaat uit een afgesloten buisvormige inrichting voorzien van een gedeeltelijke poreuze wand met daarin een gasuitwisselingsmiddel. Deze pellet heeft het nadeel dat een verminderde toegankelijkheid van de binnenkant veroorzaakt wordt door de niet-poreuze gedeelten. Een ander nadeel is dat zij niet geschikt is voor toepassing in een continue werkwijze.

10 Er zijn talrijke gevallen, waarin het wenselijk of noodzakelijk is om grote hoeveelheden waterstof en/of isotopen daarvan uit een speciaal milieu te verwijderen. Het kan bijvoorbeeld nodig zijn om waterstof uit een stroom aardgas te verwijderen, teneinde de waterstof te scheiden van andere gascomponenten, zoals methaan of andere koolwaterstoffen. Grote hoeveelheden gas worden dan bij grote gasstroomsnelheden behandeld. Voor het scheiden van de waterstof kan het gasmengsel over een bed van waterstof-sorberend 15 materiaal of niet-verdampbaar vangmateriaal worden geleid. Deze materialen zijn gewoonlijk inert ten opzichte van koolwaterstoffen, die bijgevolg niet worden gesorbeerd. De meeste niet-verdampbare vangmaterialen zijn metallisch of hebben een metallische component, die bij sorptie van grote hoeveelheden waterstof bros wordt en een zeer fijn poeder vormt. Dit zeer fijne poeder kan worden meegesleept in de gasstroom en kan moeilijk op een doelmatige wijze terug te winnen zijn. Verlies van de deeltjes betekent 20 verlies van de teruggewonnen waterstof. Ook is het welbekend, dat ongecontroleerde zeer fijne metaal-deeltjes in de omgeving een explosiegevaar opleveren. Fijne metaaldeeltjes in de gasstroom hebben bovendien een slijpende werking en kunnen daardoor vernietiging van bepaalde componenten zoals kleppen of pompen veroorzaken.

In fusiereactoren worden, onder vrijkomen van energie, atomen met elkaar verbonden. Er zijn talrijke 25 verschillende kemfusiereacties mogelijk, maar slechts enkele zijn van praktische waarde voor de productie van energie. Deze omvatten de fusie van isotopen van waterstof. Er zijn drie isotopen van waterstof bekend, namelijk waterstof, deuterium en tritium.

Voor het opwekken van energie moeten fusiereacties bij hoge temperaturen plaatsvinden. Het energie-productieproces, dat bij de laagste temperatuur kan plaatsvinden en in de praktijk dus het gemakkelijkst is 30 te verwezenlijken, is de combinatie van een deuteriumkem met een kern van tritium.

De producten zijn energierijk helium-4 (4He), de gewone isotoop van helium (die ook een alfa-deeltje wordt genoemd), en een meer energierijk vrij neutron. De heliumkern draagt ongeveer een vijfde van de totale vrijgekomen energie en het neutron draagt de overige vier vijfde.

Deuterium kan gemakkelijk uit gewoon water worden geëxtraheerd. De oppervlaktewateren van de aarde 35 bevatten naar schatting meer dan 1018 ton deuterium, een nagenoeg onuitputtelijke bron. Het tritium kan op grote schaal worden bereid door verrijkt 6l_i te bombarderen met 14 MeV neutronen 6Li (η, a)3H van een splijtingsreactor.

Om energie aan de reactor te onttrekken is deze omringd door een neutronenabsorberende "deken”. De neutronen geven hun kinetische energie in de vorm van warmte af aan de "deken”, waarna de warmte 40 bijvoorbeeld kan worden benut voor het aandrijven van gebruikelijke turbines voor het opwekken van elektriciteit.

De warmte kan op verschillende wijzen aan de "deken” worden onttrokken. De "deken” zelf kan bestaan uit een vloeibaar metaal, dat continu door een warmtewisselaar wordt gecirculeerd en daarna naar het ”deken"milieu wordt teruggevoerd. Ongelukkigerwijze omvat dit het pompen van het vloeibare metaal door 45 sterk magnetische velden en complexe geometrische constructies. Anderzijds kan de "deken” een vaste neutronenabsorber zijn, over welke een vloeibaar of gasvormig koelmiddel stroomt, zoals stoom onder hoge druk of een edelgas zoals helium.

Aangezien het als brandstof voor de reactor benodigde tritium duur is, kan de ’’deken” zelf als bron voor tritium worden gebruikt. Wanneer de "deken” lithium is of een legering van lithium met andere elementen 50 zoals waterstof, deuterium, lood of lood en aluminium of andere verbindingen op basis van lithium, zoals Li2Si03, dan produceert het lithium van het ”deken”materiaal tritium, wanneer het wordt bestraald met neutronen, afkomstig van de fusiereactie.

Alhoewel in de hierna volgende beschrijving herhaaldelijk naar tritium zal worden verwezen, kan enige hoeveelheid waterstof en deuterium in de "deken” worden gevormd door (n, p)- en (n, d)-reacties, en deze 55 zullen zich op analoge wijze gedragen als tritium.

Tritium heeft slechts een geringe oplosbaarheid in het ”deken”materiaal en zal daardoor snel uit het vaste of vloeibare kweekmateriaal diffunderen, waardoor een hoge partiële druk aan tritiumgas ontstaat en 193238 2 aanzienlijke moeilijkheden optreden om het tritium in bedwang te houden, vooral wanneer het koelmiddel een vloeibaar kweekmateriaal is. Een deel van deze moeilijkheden kan worden verminderd door een kweekmateriaal op basis van lithium in de vaste vorm alleen maar als kweekmateriaal te gebruiken en een edelgas als koelmiddel of spoelgas te gebruiken om het tritium af te voeren naarmate het wordt gevormd.

5 Het tritium moet vervolgens in een zuivere vorm uit het als koelmiddel of spoelgas gebruikte edelgas worden afgescheiden.

Het mengsel van tritium en edelgas kan door een zuiveringskamer worden gevoerd, die poedervormig vangmateriaal bevat om alleen maar de tritium te sorberen, aangezien het edelgas inert is en niet wordt gesorbeerd. Aangezien de hoeveelheden tritium, waar het om gaat, evenwel groot zijn, kan het vangpoeder 10 gemakkelijk bros worden en uiteen vallen tot een zodanig fijn poeder, dat het moeilijk is om dit laatste veilig te manipuleren. Wanneer de zuiveringskamer wordt beschadigd, kunnen deeltjes van het zeer fijne poeder, dat radioactief tritium bevat, ontsnappen. Wanneer het poeder per ongeluk ontbrandt, kan daardoor tevens radioactief poeder in de omgeving vrijkomen. Het is niet mogelijk om het vangpoeder met het lithiumkweek-materiaal te mengen, omdat dan hetzelfde verpoederingseffect en de daaruit voortvloeiende gevaren 15 kunnen optreden. Voorts is het moeilijk om het radioactieve tritiumbevattende vangpoeder volledig van het kweekmateriaal te scheiden, zonder gebruik te maken van ingewikkelde en dure procédé’s.

Het is derhalve een doel van de onderhavige uitvinding om een pellet voor de sorptie van waterstof-isotoop te verschaffen, die de ontsnapping van losse deeltjes van een vangmateriaal verhindert en die kan worden gebruikt in een continue werkwijze voor de sorptie van waterstofisotopen in een gasstroom.

20 Een ander doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een pellet voor de sorptie van tritium en een methode voor het winnen van tritium uit een als koelmiddel toegepast edelgas of spoelgas van een fusiereactorkweek”deken”.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de hierna volgende beschrijving en van de tekening, waarin: 25 figuur 1 een schematisch aanzicht is in dwarsdoorsnede van een pellet voor het sorberen van waterstofisotopen volgens de onderhavige uitvinding; figuur 2 een schematisch aanzicht is in dwarsdoorsnede van een zuiveringsinrichting met edelgas, waarbij waterstofisotoop-sorberende pellets volgens de onderhavige uitvinding worden toegepast voor het verwijderen van waterstofisotopen uit een edelgas of een spoelgas van een fusiereactorkweek”deken”, en 30 figuur 3 een schematische weergave is van een werkwijze voor het verwijderen van waterstof uit een waterstofrijke zone.

Volgens de uitvinding wordt de in de aanhef beschreven pellet gekenmerkt doordat de pellets omvat: 1. een bolvormige schil van poreus gesinterd metaalpoeder en 35 2. een niet-verdampbaar vangmateriaal, dat is ingesloten in de schil en een poedervormig vangmateriaal omvat, waarbij de porositeit van de metaalschil voldoende is om de sorptie van waterstofisotopen mogelijk te maken uit een gasmengsel na activering van het niet-verdampbare vangmateriaal, terwijl het ontsnappen van losse deeltjes van vangmateriaal wordt verhinderd.

De in de aanhef genoemde nadelen van de pellet volgens US-A-4.133.426 worden aldus vermeden en 40 de hierboven beschreven doelstellingen worden gerealiseerd.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding omvat een pellet volgens de uitvinding: 1. een bolvormige schil van poreus gesinterd poeder van roestvrij staal, waarbij de schil een diameter heeft tussen 0,2 en 5 cm en een dikte van 0,5 tot 2 mm, en het poeder van roestvrij staal een deeltjesgrootte heeft tussen 40 en 120 pm; en 45 2. een niet-verdampbaar vangmateriaal, dat een gesinterd mengsel omvat van poedervormig zirkonium en een middel om sinteren tegen te gaan, dat is gekozen uit de groep gevormd door C, Zr-AI-legeringen, Ti-V-Fe-legeringen en Zr-V-Fe-legeringen.

Elke sorptiepellet voor waterstofisotoop omvat dus een bolvormige schil van poreus metaal, die een niet-verdampbaar vangmateriaal omhult. De poreuze metalen schil wordt gevormd door sinteren van een 50 metaalpoeder, dat rond het vangmateriaal is aangebracht, leder metaal kan worden gebruikt, dat bestand is tegen de werkomstandigheden en beschikbaar is in poedervorm en dat een samenhangende poreuze massa vormt bij verhitting op een voldoende lage temperatuur om geen beschadiging van het niet-verdampbare vangmateriaal te veroorzaken. Geschikt zijn onder andere staal, ijzer, nikkel en kobalt. Een bij voorkeur toegepast metaal is roestvrij staal. Een ander bij voorkeur toegepast metaal is nikkel, omdat dit 55 magnetisch is en zijn magnetische eigenschappen kunnen worden benut bij het hanteren van de pellets. Het metaalpoeder kan iedere diameter hebben, die geschikt is voor het vormen van een poreuze schil en die diameter kan aldus 5-200 pm bedragen en bedraagt bij voorkeur van 40 tot 120 pm. Bij kleinere diameters 3 193238 is het moeilijker om het partiële sinterproces te regelen en bestaat de kans, dat de schil onvoldoende poreus is om een goede doorgang van waterstofisotopen naar het vangmateriaal te laten plaatsvinden. Bij grotere diameters is de prioriteit zodanig, dat deeltjes van vangmateriaal door de schil kunnen ontsnappen.

De uitwendige diameter van de schil kan tussen 0,2 en 5 cm bedragen en is bij voorkeur gelegen tussen 5 0,3 en 1,5 cm, terwijl de schildikte 0,5-2 mm kan zijn.

Het vangmateriaal, dat door de schil wordt ingesloten, kan ieder niet-verdampbaar vangmateriaal zijn, dat in staat is tot reversibele sorptie van waterstofisotopen, zoals titaan, zirkonium, tantaal of niobium evenals legeringen en/of mengsels van twee of meer van de hierboven genoemde metalen, die het sorptievermogen niet wezenlijk verminderen. De bij voorkeur toegepaste niet-verdampbare vangmaterialen zijn die, welke een 10 gesinterd mengsel omvatten van poedervormig zirkonium of titaan en een middel om sinteren tegen te gaan. Het zirkonium of titaan is aanwezig als een fijn poeder, dat passeert door een zeef met 79 mazen/cm en bij voorkeur door een zeef met 158 mazen/cm. Het middel om sinteren tegen te gaan kan worden gekozen uit de groep, gevormd door C, Zr-AI-legeringen en Ti-V-Fe- of Zr-V-Fe-legeringen.

De Zr-V-Fe- en Ti-V-Fe-legeringen zijn bijzonder bruikbaar wanneer het vangmateriaal in staat moet 15 worden gesteld om waterstofisotoop te sorberen bij tamelijk lage temperaturen.

Het antisintermiddel is aanwezig als een poeder, dat passeert door een zeef met 24 mazen/cm en bij voorkeur door een zeef met 47 mazen/cm. De deeltjes van het antisintermiddel zijn ook in het algemeen groter dan de zirkonium of titaandeeltjes.

Bij bedrijf worden de sorberende pellets geplaatst in de gasstroom, die te winnen waterstofisotoop 20 bevatten. Dit kan bijvoorbeeld een stroom aardgas zijn, die waterstof bevat of het kan als koelmiddel gebruikt edelgas of het spoelgas zijn van een fusiereactorkweek”deken”. Zij kunnen worden geactiveerd door bijvoorbeeld inductieverwarming, voorafgaand aan het inbrengen in de gasstroom of, wanneer het vangmateriaal bij lage temperaturen kan worden geactiveerd, kan de temperatuur van het gas voldoende zijn om een activering te veroorzaken en de sorptie van waterstofisotoop te doen plaatsvinden.

25 De pellets kunnen ook worden geplaatst in de kweek”deken” in nauw ruimtelijk verband met het kweekmateriaal.

De sorberende pellets kunnen derhalve worden gebruikt voor iedere toepassing, waarbij grote hoeveelheden waterstof en/of isotopen daarvan moet worden gesorbeerd en de vorming van fijne vangmetaaldeeltjes en het vrijkomen daarvan in een gasstroom gevaarlijk zou kunnen zijn.

30 De waterstof, die bruikbaar is bij de onderhavige uitvinding omvat al de isotopen van waterstof en kan dus H2, Dz, T2, HD, HT of DT zijn.

De uitvinding is vooral bruikbaar bij zware waterstof, waarmee deuterium en/of tritium wordt bedoeld.

In figuur 1 van de tekening is een schematisch aanzicht in dwarsdoorsnede getoond van een pellet 10 voor de sorptie van waterstofisotoop, die een bolvormige schil 12 heeft van een poreus gesinterd metaal-35 poeder, bij voorkeur poeder van roestvrij staal met een deeltjesgrootte tussen 5 en 200 pm en bij voorkeur tussen 40 en 120 pm. De diameter van de schil is gelegen tussen 0,2 cm en 5 cm en zijn dikte bedraagt tussen 0,5 en 2 mm. Een niet-verdampbaar vangmateriaal 14 is ingesloten in de bolvormige schil 12 en omvat een gesinterd mengsel van zirkonium en een antisintermiddel, dat kan zijn gekozen uit de groep, gevormd door C, een Zr-AI-legering en bij voorkeur een 84% Zr-16% Al (in gewicht) legering of een 40 Ti-V-Fe-legering of een Zr-V-Fe-legering en bij voorkeur een legering, waarvan de samenstelling in gewichtsprocent, waarbij die wordt uitgezet in een temair samenstellingsdiagram in gewichtsprocent Zr, gewichtsprocent V en gewichtsprocent Fe, is gelegen binnen een veelhoek, waarvan de hoekpunten als volgt zijn gedefinieerd: i) 75% Zr - 20% V - 5% Fe 45 ii) 45% Zr - 20% V - 35% Fe iii) 45% Zr - 50% V - 5% Fe.

De sorberende pellet wordt bereid door zirkoniumpoeder en het antisintermiddel met elkaar te mengen, het mengsel in een bolvormige vorm te plaatsen en onder vacuüm gedurende een aantal minuten te verhitten bij 800-1200°C. Na koelen op kamertemperatuur wordt de gesinterde bol van vangmateriaal in een 50 tweede grotere bolvormige vorm gebracht, die is bekleed met het metaalpoeder voor het vormen van de schil. De tweede vorm wordt dan onder vacuüm verhit bij dezelfde temperatuur gedurende een voldoende tijd om de bolvormige schil de vereiste porositeit te geven. De porositeit van de schil moet voldoende zijn om de sorptie mogelijk te maken van waterstofisotopen uit een gasmengsel na activering van het niet-verdampbare vangmateriaal, terwijl toch het ontsnappen van losse deeltjes van vangmateriaal als gevolg 55 van de sorptie van grote hoeveelheden waterstofisotopen wordt verhinderd.

Anderszins kan het vangpoedermengsel gewoon mechanisch worden samengeperst tot een samenhangende bolvorm en vervolgens in een bad van metaalpoeder, gemengd met een bindmiddel worden

Claims (6)

193238 4 gedompeld ter vorming van een schil. Deze pellet wordt dan onder vacuüm verhit om gelijktijdige sintering van het vangmateriaal en van de schil te veroorzaken. In figuur 2 is een zuiveringsinrichting voor edel gas 16 getoond voor het verwijderen van tritium uit helium in een fusiereactor. De zuiveringsinrichting voor edel gas 16 omvat een gastoevoer 18, die is bevestigd aan 5 een kamer 20 voor de sorptie van tritium, en een gasafvoer 22. Een toevoertrechter 24, die pellets 26, 26' enz., identiek aan het pellet 10 bevat voor de sorptie van tritium, is eveneens met de sorptiekamer 20 verbonden door middel van een niet metalen pijp 25 en twee kleppen 30 en 32. Een inductieverhittings-wikkeling 34 omringt de pijp 25. Een afvoer 36 voor de tritiumsorberende pellet is eveneens voorzien van twee kleppen 38 en 40.

10 Door een geschikte bediening van de kleppen 30, 32, 38, 40 laat men de tritiumsorberende pellet door de sorptiekamer 20 passeren. Door draadgazen 42 en 44 wordt verhinderd, dat de pellets respectievelijk in de gastoevoer 18 en de gasafvoer 22 belanden. Heet helium, afkomstig van de reactor”deken”, gemengd met tritium wordt door de sorptiekamer 20 gevoerd en het tritium komt in contact met de tritiumsorberende pellets, waarbij het wordt gesorbeerd. Wanneer de temperatuur van het helium onvoldoende is om het 15 vangmateriaal van de tritiumsorberende pellets te activeren, dan kan de inductieverhittingswikkeling 34 worden gebruikt om het materiaal te activeren tijdens het passeren van de pellets door de niet-metalen pijp 28, voordat zij in de sorptiekamer 20 binnentreden. Na het verwijderen van de pellets uit de sorptiekamer, kunnen zij veilig worden gehanteerd zonder verlies van vangmateriaaldeeltjes en kunnen zij onder vacuüm worden verhit, teneinde het gesorbeerde tritium te winnen.

20 In figuur 3 is een schematische weergave 300 getoond van een werkwijze, waarbij pellets volgens de onderhavige uitvinding worden gebruikt voor het verwijderen van de waterstof uit een waterstofrijke zone 302. Een bron 304 van pallets volgens de onderhavige uitvinding wordt voorzien en verbonden met de waterstofrijke zone 302 door middel van een geschikt verbindingsmiddel 306, dat op geschikte wijze is aangepast, teneinde een continue stroom van pellets te laten passeren in de waterstofrijke zone 302. De 25 pellets komen in contact met de waterstof, aanwezig in de waterstofrijke zone, waar zij de waterstof sorberen. De pellets worden uit de waterstof rijke zone 302 verwijderd door middel van een tweede verbindingsmiddel 308, dat leidt naar een pelletverzamelaar 310. De pellets kunnen vervolgens worden verhit, teneinde de waterstof te verwijderen. De waterstofrijke zone kan een edel gas zijn, dat is verontreinigd met zware waterstof, waarbij waterstof-30 rijk ieder percentage zware waterstof betekent, waarvan gewenst is, dat het uit het edel gas wordt verwijderd. 35

1. Pellet voor de sorptie van waterstofisotoop, bestaande uit een schil, die doorlaatbaar is voor de te sorberen waterstofisotoop, met daarin ingesloten een waterstof-sorberend materiaal, met het kenmerk, dat de pellet omvat: 1. een bolvormige schil van poreus gesinterd metaalpoeder en 2. een niet-verdampbaar vangmateriaal, dat is ingesloten in de schil en een poedervormig vangmateriaal omvat, waarbij de porositeit van de metaalschil voldoende is om de sorptie van waterstofisotopen mogelijk te maken uit een gasmengsel na activering van het niet-verdampbare vangmateriaal, terwijl het ontsnappen van losse deeltjes van vangmateriaal wordt verhinderd.

2. Pellet volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat deze omvat: 1. een bolvormige schil van poreus gesinterd poeder van roestvrij staal, waarbij de schil een diameter heeft tussen 0,2 en 5 cm en een dikte van 0,5 tot 2 mm, en het poeder van roestvrij staal een deeltjesgrootte heeft tussen 40 en 120 pm; en 2. een niet-verdampbaar vangmateriaal, dat een gesinterd mengsel omvat van poedervormig zirkonium en een middel om sinteren tegen te gaan, dat is gekozen uit de groep gevormd door C, Zr-AI-legeringen,

50 Ti-V-Fe-legeringen en Zr-V-Fe-legeringen. Hierbij 1 blad tekening