Способ извлечения изотопов водорода из гидрированного титана

 

Использование: разделение изотопов водорода в ядерной энергетике, обеспечение топливом установок термоядерного синтеза. Сущность изобретения: реактор с металлическим титаном вакуумируют до 10^-3Па и нагревают до 700°С. Подают смесь изотопов водорода 30 мин. Охлаждают реактор до 200°С, повторно вакуумируют и нагревают со скоростью 10 град/мин до 670°С и далее с той же скоростью до 700 - 800°С. Полученные соответственно потоки дейтерия и водорода отделяют друг от друга. 1 ил.

Изобретение относится к методам разделения изотопов водорода, находящихся, например, в газовой фазе, в газовой смеси, выделяющейся при работе ядерных реакторов, а также при обеспечении топливом установок термоядерного синтеза.

Известен способ разделения изотопов одного химического элемента методом термодиффузии [1]. Наиболее близким к изобретению является способ извлечения изотопов водорода [2]. Известный способ заключается в следующем. Сплав на основе титана помещают в камеру, через которую пропускают поток водорода, содержащий тяжелые изотопы. Температуру процесса фиксируют в диапазоне -20. ..+40^оС, а давление газовой смеси подбирают таким образом, чтобы оно было выше давления диссоциации гидрида, хотя бы для одного из изотопов водорода при данной температуре.

В результате насыщения, проводимого в этих условиях, содержание в металле водорода и его изотопов увеличивается, причем в ряде случаев (например, в сплаве титан-хром) отношение концентраций тяжелого и легкого изотопов в гидриде оказывается выше, чем в газовой фазе. После насыщения гидрид изолируют и подвергают термическому разложению при фиксированной температуре. При этом выделение различных изотопов из гидрированного металла происходит одновременно, а процентное содержание тяжелого и легкого изотопов в образовавшейся газовой смеси определяется их содержанием в гидриде.

Недостатком известного способа является невозможность раздельного извлечения изотопов водорода.

Целью изобретения является создание способа раздельного извлечения изотопов водорода из гидрированного титана. Это достигается тем, что металлический титан, находящийся в предварительно вакуумированном до 10^-3 Па и нагретом до 700^оС реакторе, подвергают контакту с газовой смесью изотопов водорода в течение 30 мин с образованием гидридно-дейтеридной фазы, после чего реактор охлаждают до 200^оС, повторно вакуумируют и нагревают со скоростью 10 град/мин до 670^оС и далее с той же скоростью до 700-800^оС, причем поток дейтерия, десорбируемого до 670^оС, изолируют от потока водорода, десорбируемого при 700-800^оС.

П р и м е р. Газовую смесь изотопов водорода подают в предварительно вакуумированный до 10^-3 Па и нагретый до 800^оС реактор, в котором находится металлический титан, являющийся эффективным поглотителем водорода и его изотопов. Подачу газовой смеси ведут 30 мин. После окончания процесса насыщения, который при указанной температуре протекает весьма интенсивно, камеру охлаждают до 200^оС. В результате этой процедуры получается гидридо-дейтерид титана, стабильный при температурах ниже 400^оС, содержание водорода (дейтерия) в котором близко к стехиометрическому составу TiH₂ (TiD₂), то есть на каждый атом титана приходится приблизительно два атома водорода (дейтерия).

При охлаждении до 200^оС канал поступления газовой смеси перекрывают, камеру вакуумируют, после чего систему откачки отключают и нагревают реактор со скоростью 10 град/мин.

Как следует из результатов экспериментов, проведенных на установке TG-DSC 111 фирмы СЕТАРАМ (Франция), выделение изотопов водорода из гидридо-дейтерида титана в режиме линейного нагрева оказывается раздельным.

На чертеже изображен график, показывающий разделение потоков водорода и дейтерия в зависимости от температуры.

При температурах, меньших 670^оС, происходит выделение дейтерия, а при 700-800^оС - водорода. Исследования показали, что разделение изотопов протекает наиболее эффективно, если скорость нагрева составляет 10 град/мин. В этом случае положения пиков, соответствующих выделению дейтерия и водорода, смещены друг относительно друга по шкале температур более, чем на 100^оС, а сами пики хорошо разделены, что свидетельствует о высокой эффективности предлагаемого способа разделения изотопов водорода.

Использование больших скоростей нагрева при газовыделении из объема приводит к размытию пиков, их перекрытию и, как следствие, перемешиванию различных потоков. Вместе с тем применение слишком малых скоростей нагрева ведет к уменьшению температурного интервала между пиками, соответствующими выделению различных изотопов водорода, что затрудняет их разделение.

Различная энергия связи водорода и дейтерия с окружающими их атомами металла приводит к различию их термической стабильности в термодинамически неравновесных условиях линейного нагрева, что является причиной разделения во времени потоков водорода и дейтерия.

Таким образом изобретение позволяет производить эффективное разделение изотопов водорода и селективно откачивать их в соответствующие накопительные объемы.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА ИЗ ГИДРИРОВАННОГО ТИТАНА, включающий вакуумирование реактора с титаном, контактирование последнего с газовой смесью изотопов водорода, повторное вакуумирование реактора и его нагрев, отличающийся тем, что вакуумирование реактора ведут до давления 10^-3 Па, контактирование титана с газовой смесью изотопов водорода осуществляют при 700^oС 30 мин, после чего реактор охлаждают до 200^oС, а нагрев ведут со скоростью 10 град/мин до 670^oС и далее с той же скоростью до 700 - 800^oС, причем полученные при указанных температурах соответственно потоки дейтерия и водорода отделяют друг от друга.

РИСУНКИ

Рисунок 1