Способ регенерации дейтерий-тритиевой топливной смеси термоядерного реактора и устройство для его осуществления

 

Изобретение касается разделения изотопов водорода методом химического изотопного обмена и может быть использовано для регенерации дейтерий-тритиевой топливной смеси. Цель изобретения - снижение энергозатрат и упрощение технологического процесса отделения легкого изотопа водорода. Способ включает введение в топливную смесь газообразного йода, конденсацию смеси на холодной поверхности при 4,2 К. Сконденсированную смесь выдерживают при 8 - 9 К для связывания избыточного протия с атомами йода, а разделение изотопов проводят в два этапа, причем на первом этапе конденсат нагревабт до 26 - 77 К и отделяют очищенную от избытка протия топливную смесь, а на втором этапе нагревают до 240 - 300 К и удаляют соединения йода. Приготовленную смесь подают в узел конденсации газовой смеси. Проводят выдержку твердой матрицы при 8 - 9 К. Технологические особенности способа не требуют конверсии в новое вещество и обратно, что значительно упрощает технологическую оснастку и не требует дорогостоящего оборудования. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение касается разделения изотопов водорода методом химического обмена и может быть использовано для регенерации дейтерий-тритиевой топливной смеси термоядерного реактора. Цель изобретения - снижение энергозатрат и упрощение технологического процесса отделения протия. Сущность способа регенерации смеси основана, во-первых, на возможности образования атомов изотопов водорода в сконденсированной топливной смеси в результате вторичных процессов при распаде трития и, во-вторых, на возможности протекания в такой матрице туннельных реакций обмена этих атомов с молекулами изотопов водорода. В сконденсированной дейтерий-тритиевой топливной смеси происходит образование атомов в результате взаимодействия β-частиц, образующихся при спонтанном радиактивном распаде трития T₂_→ T+T (1) D₂_→ D+D (2) HT _→ H+T (3) HD _→ H+D (4) Образовавшиеся атомы изотопов водорода участвуют в тех туннельных химических реакциях обмена атома с молекулой, которые энергетически возможны при таких температурах T+TH T₂+H (5) T+DH _→ TD+H (6) D+TH _→ D+H (7) D+DH D₂+H (8) и приводят к размещению атомов протия атомами дейтерия и трития в молекулах ТН и DH и образованию стабилизированных атомов протия. Кинетические уравнения, описывающие процессы образования атомов изотопов водорода (реакции 1-4) и туннельные реакции изотопного обмена (5-8), определяющие скорость образования протия в системе, имеют вид = V_oT_o-K_т[T] ·H_o (9) = V_oD_o-K_D[D] ·H_o (10) = V_oH_o+(K_D[D] +K_т[T] (11) где [H] , [D] , [T] - концентрации свободных атомов соответственно протия, дейтерия и трития; V_o - скорость образования соответствующих атомов в твердой матрице изотопов водорода; H_o, D_o, T_o - концентрации связанных в молекулы атомов протия, дейтерия и трития; К_т-K_D - константы скорости реакций (5-8). При условии квазистационарности для атомов Т и D из (9) и (10), принимая во внимание то, что в топливной смеси Т_о = d_o, а константы обмена практически равны, т. е. К_т = K_D, получаем значения концентраций этих атомов [T] = [D] = V_oD_o/K_D ˙H_o (12) Тогда количество появляющихся в твердой матрице атомов протия можно оценить из (11) и (12) как = V_oH_o+2K_D[D] H_o= V_oH_o+2V_oD_o= V_o(H_o+2D_o) ≈ 2V_oD_o (13) Чтобы процесс химической фиксации атомов протия прошел эффективно за время экспозиции t необходимо выполнение условия [H] >>[D] или, так как [H] = 2V_oD_ot, а [D] = V_oD_o/K_DH_o, то 2V_oD_ot ≥ V_oD_o/K_DH_o. (14) Из (14) следует условие для скорости реакции обмена K_D = (15) Экспериментально определено, что скорость туннельных реакций обмена лимитируется процессами диффузии атомов в низкотемпературных матрицах и зависимость константы скорости от температуры при Т≥ 4,2 К для атомов протия определяется выражением
K_D(T) = K_D(4,2) ˙ exp(E_a/T). (16) где E_a = 103∓5K - энергия активации процесса диффузии. Температуру проведения процесса определяем из условия (15) для t = 1 c;
K_D(T) = 25 с^-1. (17)
Учитывая, что K_D(4,2) = 2,3˙ 10^-3 см³/ /моль^-1˙ с^-1 и соответствует скорости процесса 10^-4 ˙ с^-1, получаем
К_D(T)/K_D(4,2)≥ 2,5˙ 10⁵. (18)
С другой стороны, из (16) получаем
K_D(T)/K_D(4,2) = exp- /exp- . (19)
Из соотношений (18) и (19) находим область изменения температуры проведения процесса регенерации Т = 8-9 К. Нижний предел соответствует Е_а = 108 К, верхний Е_а = 98 К. Снижение температуры выдержки ниже 8 К приводит к снижению эффективности образования атомов протия в реакциях обмена, а следовательно, и к снижению эффективности регенерации топливной смеси. Повышение температуры за верхний предел приводит к увеличению рекомбинации атомов изотопов водорода в системе, что также снижает эффективность регенерации смеси. Время, необходимое для перевода всех связанных атомов Н в свободные, составляет
τ = H_o/(d[H] /dt = = 1,6·10⁴c ≈ 4,4 ч
Образовавшиеся в тунельных реакциях атомы протия связываются в молекулы HJ в реакции
H+J _→ HJ (20)
Очищенную от протия порцию дейтерий-тритиевой смеси, пригодной для использования в термоядерный реактор (ТЯР), отделяют от молекулярных соединений йода путем нагрева реакционного сосуда до 26-77 К. После этого система готова для очистки новой порции смеси. Удаление оставшихся соединений йода проводят после завершения очистки всей смеси откачкой сосуда при повышении температуры его стенок до 240-300 К. Регенерацию дейтерий-тритиевой смеси топлива ТЯР осуществляют в устройстве, принципиальная схема которого приведена на чертеже. Устройство включает гелиевый криостат 1 с узлом 2 для конденсирования топливной смеси, систему 3 предварительной подготовки и подачи смеси. Криостат 1 имеет вакуумный кожух 4, азотную емкость 5 с экраном 6, адсорбент 7 и непосредственно гелиевую ванну 8 для заполнения жидким гелием. Узел 2 для конденсации топливной смеси выполнен в виде цилиндрического стального сосуда 9 с нагревателем 10 и двумя герметичными рубашками 11 и 12, расположенными коаксиально сосуду 9. Для исключения конденсирования топливной смеси в верхней части узла 2 подачу смеси осуществляют по трубке 13, имеющей вакуумную рубашку 14 и у нижнего конца отверстия, необходимые для осаждения газовой топливной смеси на охлажденной поверхности сосуда 9. Система 3 предварительной подготовки и подачи топливной смеси включает смесительную камеру 15 с узлом 16 перемешивания газов и измерителем 17 давления, снабженную подводящим 18 и отводящим 19 патрубками и соединенную вентилем 20 с баллоном 21 для хранения подмешиваемого J₂, а вентилями 22 и 23 с узлом 2 для конденсирования и выдержки смеси. Для вакуумирования системы 3 и элементов узла 2 имеется форвакуумный насос 24. Регулирование температуры узла 2 осуществляют теплообменом с жидким гелием из ванны 8 или жидким азотом, заливаемым в рубашку 11 через вентиль 25, и нагревателем 10. Предусмотрена возможность вакуумирования через вентили 26, 27 и 28 и заполнения гелием из баллона 29 через вентили 30, 27 и 28 герметичных рубашек 11 и 12, окружающих сосуд 9. Устройство содержит вентиль 31 для возврата регенерированной смеси в рабочую камеру, а также сборник 32 выделенного протия с вентилем 33. Смесительная камера 15 через вентиль 34 соединена с рабочей камерой ТЯР. Устройство работает следующим образом. Вакуумируют систему 3 и узел 2 до 10^-3 мм рт. ст. Заливают жидкий азот в емкость 5, заполняют рубашки 11, 12 и ванну 8 газообразным гелием из баллона 29 через вентили 30, 27, 28 и 23. После охлаждения до температуры жидкого азота узла 2 и криостата 1 заливают жидкий гелий в ванну 8 для конденсирования и выдержки топливной смеси при температуре жидкого гелия (4,2 К) в узле 2. Подготовку топливной смеси проводят следующим образом. Из баллона 21 через вентиль 20 производят напуск в смесительную камеру 15 J₂ до давления 0,2 мм рт. ст. Из рабочей камеры ТЯР через вентиль 34 напускают отработанную топливную смесь состава Т₂: D₂: H₂ = 50: 50: 2 до полного давления в смесительной камере 10,4 мм рт. ст. Узлом 16 производят перемешивание газов. Подготовленную топливную смесь через вентили 22 и 23 подают в узел 2 конденсирования смеси. При этом топливная смесь по трубке 13 непрерывно либо порциями поступает ко дну сосуда 9, на охлажденной поверхности которого происходит ее конденсация в виде твердой матрицы. Твердую матрицу выдерживают при 8 К в течение 4,4 ч. Во время выдержки происходят процессы, приводящие к связыванию протия с атомами йода. По окончании выдержки очищенную смесь возвращают в рабочую камеру ТЯР. Для этого откачивают рубашки 11 и 12 до давления 10^-4 мм рт. ст. насосом 24 через вентили 26, 27 и 28. Затем перекрывают вентиль 28 и через вентиль 25 подают жидкий азот в рубашку 11 и повышают температуру сосуда 9 до 77 К, а по трубке 13 и через вентили 23 и 31 подают смесь в рабочую камеру ТЯР. Для очистки узла конденсирования от соединений йода, перекрыв вентили 23 и 25, удаляют жидкий азот из рубашки 11, откачивая его через вентили 26 и 27 насосом 24. Затем включают нагреватель 10, поднимают температуру сосуда 9 до 300 К и удаляют оставшиеся соединения йода по трубке 13 и далее через вентили 23 и 33 в сборник 32. После этого устройство готово к новому циклу регенерации топливной смеси. П р и м е р. В отработанную газовую топливную смесь ТЯР состава T₂: D₂: H₂ = 50: 50: 2, подаваемую из реактора в смесительную камеру до давления 10,2 мм рт. ст. , вводят газообразный йод до парциального давления 0,2 мм рт. ст. После перемешивания газовую смесь вымораживают на охлажденной поверхности узла 2. Вымороженную смесь выдерживают при 8 К в течение 4,4 ч. В твердой матрице происходит образование атомов в результате взаимодействия с β-частицами, испускаемыми при распаде трития, с молекулами исходной топливной смеси, и протекают туннельные химические реакции изотопного обмена, приводящие к замещению атомов протия в молекулах ТН и DH атомами дейтерия и трития, и к образованию стабилизированных атомов Н. Очищенную от избыточного протия порцию дейтерий-тритиевой смеси возвращают в рабочую камеру ТЯР разогревом узла 2 до 77 К. Оставшиеся на стенках соединения йода удаляют откачкой сосуда при нагреве его стенок до 300 К. Как показали расчеты и эксперименты, проведенные в ФИНЭПХФ АН СССР, реализация способа и устройства позволяют по сравнению с прототипом снизить энергозатраты с 10² эВ/атом до 10 эВ/атом протия. При этом исключение стадии конверсии изотопов водорода в сложные химические соединения и обратно, необходимые для проведения разделения изотопов сероводородным и лазерным способами, существенно упрощает технологический процесс отделения протия, а также снижает энергозатраты. (56) Патент США N 4381938, кл. B 01 D 59/00, 1983.

Формула изобретения

1. Способ регенерации дейтерий-тритиевой топливной смеси термоядерного реактора, включающий конденсацию топливной смеси на холодной поверхности и разделение изотопов, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат и упрощения технологического процесса отделения протия, предварительно в топливную смесь вводят газообразный йод, сконденсированную смесь выдерживают при 8-9 К для связывания избыточного протия атомами йода, а разделение изотопов проводят в два этапа, на первом этапе конденсат нагревают до 26 - 77 К и отделяют очищенную от избытка протия топливную смесь, на втором этапе смесь нагревают до 240 - 300 К, удаляя соединения йода с протием. 2. Устройство для регенерации дейтерий-тритиевой топливной смеси термоядерного реактора, содержащее гелиевый криостат с узлом для конденсирования смеси и системой подачи жидких азота и гелия, систему предварительной подготовки и подачи смеси и узел разделения изотопов, отличающееся тем, что, с целью снижения энергозатрат и упрощения технологического процесса отделения протия, узел конденсирования смеси выполнен в виде герметического цилиндрического сосуда, а узел разделения изотопов выполнен в виде двух герметичных рубашек, установленных коаксиально цилиндрическому сосуду и нагревателя, смонтированного на нижней части цилиндрического сосуда.

РИСУНКИ

Рисунок 1