JP2005211757A

JP2005211757A - 水素同位体の分離方法、及び水素同位体の分離装置

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Publication number: JP2005211757A
Application number: JP2004020086A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Sugiyama; 貴彦杉山; Yamato Asakura; 大和朝倉; Tatsuhiko Uda; 達彦宇田; Kazuyoshi Yamamoto; 一良山本; Yoichi Enokida; 洋一榎田
Original assignee: National Institute of Natural Sciences
Current assignee: National Institute of Natural Sciences
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2005-08-11
Also published as: KR100571317B1; US20050163703A1; RU2004127163A; EP1559471A1; RU2285305C2; KR20050077466A; CA2479588A1

Abstract

【課題】水素−水化学交換反応を利用した水素同位体の分離性能を向上させる。
【解決手段】水素同位体を含む水素ガス，水及び水蒸気を含む雰囲気を分離カラム１１及び１２内所定の減圧下に配置する。次いで、前記雰囲気内の圧力に応じて前記雰囲気に対するプロセス温度を制御し、前記雰囲気内における前記水素ガスの分圧及び前記水蒸気の分圧を制御し、水素−水化学交換反応を通じた前記水素ガスからの前記水素同位体の分離性能を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素同位体の分離方法及び水素同位体の分離装置に関する。

トリチウム含有水からトリチウムを分離及び濃縮する方法として、分離係数が大きく大量処理が可能な水素−水化学交換反応を用いた方法が提案されている。このような化学反応において、水素ガスと水蒸気との間、及び水蒸気と水との間の同位体交換反応の平衡定数は温度が低いほど大きいため、プロセス温度を下げることによって、前記トリチウムの分離性能を向上できることが期待されている。

しかしながら、前記プロセス温度を減少させると、前記化学交換反応に供する水蒸気の分圧が減少してしまい、上述した理論に反して、前記トリチウムの分離性能が低下してしまうという問題があった。

本発明は、水素−水化学交換反応を利用した水素同位体の分離性能を向上させることを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
水素同位体を含む水素ガス，水及び水蒸気を含む雰囲気を所定の減圧下に配置する工程と、
前記雰囲気内の圧力に応じて前記雰囲気に対するプロセス温度を制御し、前記雰囲気内における前記水素ガスの分圧及び前記水蒸気の分圧を制御し、水素−水化学交換反応を通じた前記水素ガスからの前記水素同位体の分離性能を制御する工程と、
を具えることを特徴とする、水素同位体の分離方法に関する。

また、本発明は、
水素同位体を含む水素ガス，水及び水蒸気を含む雰囲気を保持し、水素−水化学交換反応を通じて前記水素ガスから前記水素同位体を分離するための分離カラムと、
前記雰囲気内の圧力に応じて前記雰囲気に対するプロセス温度を制御し、前記雰囲気内における前記水素ガスの分圧及び前記水蒸気の分圧を制御し、前記水素ガスからの前記水素同位体の分離性能を制御するための温度制御手段と、
を具えることを特徴とする、水素同位体の分離装置に関する。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、水素−水化学交換反応に供すべく、所定の水素同位体を含む水素ガス，水及び水蒸気ガスを含む雰囲気を減圧状態とすることにより、前記雰囲気の、所定の設定圧力に対して前記水素同位体の分離性能が最も良くなる最適な温度が存在することを見出した。したがって、所定の分離カラム内で、所定の減圧状態に前記雰囲気を形成した後、所定の温度制御手段で前記雰囲気のプロセス温度をモニタリングするとともに、前記雰囲気の圧力に対して前記雰囲気の前記プロセス温度が最適となるように制御することによって、前記水素ガスからの水素同位体の分離性能を最大限に高めることができる。

なお、前記雰囲気のプロセス温度は、必ずしも前記雰囲気の圧力に対して最適な温度に設定する必要はなく、所望する水素同位体の分離性能に基づいて適宜に設定することができる。

また、本発明の好ましい態様においては、前記雰囲気の圧力を９０ｋＰａ以下とする。この場合、前記水素−水化学交換反応同位体の分離性能をさらに向上させることができる。

さらに、本発明の他の好ましい態様においては、水素−水化学交換反応を利用した定常的な分離過程にある、前記分離カラム中における前記雰囲気の、前記プロセス温度からの温度上昇を検出することによって、前記雰囲気、すなわち前記分離カラムの外部リークを検出する。これによって、分離カラムを含む装置全体のリークを早期に検知し、水素爆発などの致命的な事故を防止することが可能となる。

なお、このような外部リークの検出は、本発明に従った、前記雰囲気圧力に対する前記雰囲気の最適プロセス温度の設定如何によらず、水素−水化学交換反応を利用した水素同位体の分離に対して一般的に用いることができる。

以上説明したように、本発明によれば、水素−水化学交換反応を利用した水素同位体の分離性能を向上させることができる。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の水素同位体の分離装置の一例を示す構成図である。なお、本例においては、図１に示す装置を用いて軽水からトリチウムを分離する場合について説明する。

図１に示す分離装置は、上下２段で設けられた分離カラム１１及び１２と、これら分離カラムの下方に連続的に設けた加湿器１３及びＳＰＥ電解槽１４と、前記分離カラムの上方に連続的に設けた凝縮器１５及び真空ポンプ１６と、分離カラム１１及び１２間に連続的に設けたトリチウムモニタ１７及び温度モニタプロセスコントローラ１８とを具えている。

分離カラム１１及び１２内には、水素ガス−水蒸気間の第１の化学交換反応を生ぜしめる白金触媒が担持された図示しない触媒層と、水蒸気−液体水間の第２の化学交換反応を生ぜしめる図示しない吸収層とが形成されている。

分離カラム１１及び１２の外周にはヒータ１１１及び１２１が設けられ、分離カラム１１及び１２中の雰囲気を、温度調節器１１２及び１２２を介して所定のプロセス温度に設定するように構成されている。また、加湿器１３の外方にもヒータ１３１が設けられており、加湿器１３内の水を加熱して水蒸気を生成するように構成されている。

原料水であるトリチウムを含む軽水は分離カラム１１及び１２間に供給され、分離カラム１２から加湿器１３を下方に通過してＳＰＥ電解槽１４に至る。前記トリチウムを含む軽水はＳＰＥ電解槽１４において電気分解され、水素ガス及び酸素ガスに転換される。前記水素ガスは水素同位体であるトリチウムを含んでおり、加湿器１３を上方に通過し、加湿器１３内で水蒸気と飽和した状態で分離カラム１１及び１２内に導入される。

一方、前記水素ガス及び前記水蒸気の一部は、真空ポンプ１６による排気に伴って、分離カラム１１及び１２を通過して凝縮器１５に至る。このとき、前記水蒸気の前記一部は凝縮器１５で熱交換を通じて凝縮され、液体水として分離カラム１１及び１２に還流される。また、前記水素ガスの前記一部は真空ポンプ１６を通じて外部に放出される。

以上のような操作を経ることにより、分離カラム１１及び１２内には、トリチウムを含む水素ガスと水蒸気とを含む雰囲気が形成される。前記雰囲気は、バルブ１６１及び圧力調整器１６２を介して真空ポンプ１６により所定の圧力に保持されるとともに、ヒータ１１１及び１２１で所定のプロセス温度に設定される。

このとき、分離カラム１１及び１２内の前記触媒層では、
H₂O(vapor)+HT(gas)⇔HTO(vapor)+H₂(gas) （１）
なる化学交換反応式で表される第１の化学交換反応が生じ、分離カラム１１及び１２の前記吸収層では、反応式（１）で得た水蒸気中間物HTO(vapor)と、凝縮器１５で凝縮されて還流した液体水H₂O(liquid)とが向流し、
H₂O(liquid)+HTO(vapor)⇔HTO(liquid)+H₂O(vapor) （２）
なる化学交換反応式で表される第２の化学交換反応が生じる。この結果、前記水素ガス中の前記トリチウムは、液体反応水HTO(liquid)として分離され濃縮される。

前記液体反応水は分離カラム１１及び１２を下り、ＳＰＥ電解槽１４を介して外部に取り出す。一方、反応式（１）において得たトリチウム分離の水素ガスH₂(gas)は、分離カラム１１及び１２の上方より外部に取り出す。

図２は、上述したトリチウム分離工程の、分離カラム１１及び１２内における前記雰囲気の圧力及びプロセス温度に対するトリチウムの分離性能の依存性を示すグラフである。図２から明らかなように、分離カラム１１及び１２内の前記雰囲気の各設定圧力に応じて、前記トリチウム分離性能はプロセス温度に対して異なる依存性を呈する。そして、前記雰囲気の各設定圧力に対して、前記トリチウム分離性能を最適な状態（最大）にするためのプロセス温度が異なることが分かる。

なお、図１に示す分離装置において、トリチウムは液体反応水HTO(liquid)として分離され濃縮されて下方に流されるため、その濃度は分離カラム１１及び１２内の上方で小さく、下方で大きくなる。したがって、前記トリチウムの分離性能が向上すれば、より多くの前記液体反応水が生成されるようになるので、前記トリチウムの分離性能は、分離カラム１１及び１２内の下部及び上部のトリチウムの濃度比（分離カラム下部のトリチウム濃度／分離カラム上部のトリチウム濃度）で表されることになる。

したがって、図２におけるトリチウムの分離性能は分離カラム１１及び１２内における前記トリチウム濃度比（分離カラム下部のトリチウム濃度／分離カラム上部のトリチウム濃度）によって間接的に規定したものである。

本例においては、トリチウムモニタ１７で前記トリチウム濃度比をモニタしている。具体的には、分離カラム１２上部のトリチウム濃度をモニタし、このトリチウム濃度が最小となる（したがって、分離カラム１２下部のトリチウム濃度は最大となり、トリチウム分離性能が最大となる）ように、温度モニタプロセスコントローラ１８で温度調節器１１２及び１２２を駆動し、ヒータ１１１及び１２１で分離カラム１１及び１２内の前記雰囲気に対するプロセス温度を調節するようにしている。

なお、図２から明らかなように、分離カラム１１及び１２内の前記雰囲気の設定圧力が、小さくなるに従って、トリチウム分離性能が増大していることが分かる。例えば、実用に足る十分高いトリチウム分離性能を得るためには、前記雰囲気の圧力を９０ｋＰａ以下とする。但し、水素−水蒸気化学交換反応を利用したトリチウムの分離を実効あらしめるためには、前記雰囲気の圧力の下限は１０ｋＰａである。

また、上述した操作は、トリチウム分離性能を設定圧力に対して最大限に高める場合のみならず、所望のトリチウム分離性能を得るために適用することもできる。この場合、前記プロセス温度は、前記所望のトリチウム分離性能が得られるように適宜に制御する。

一方、図１に示す分離装置を用いたトリチウム分離工程においては、分離カラム１１及び１２内の前記雰囲気は減圧下に設定されるため、分離カラム１１及び／又は１２で外部リークなどが発生すると、例えば分離カラム１１及び１２内に設けた前記触媒上における水素及び酸素間の反応によって前記雰囲気の温度は前記プロセス温度から急激に上昇するようになる。したがって、このような温度上昇を温度モニタプロセスコントローラ１８でモニタすることによって、分離カラム１１及び１２の外部リークを検出することができるようになる。

なお、外部リークが発生した場合は、温度モニタプロセスコントローラ１８からの制御信号に基づいて、ＳＰＥ電解槽１４の動作を停止し、分離カラム１１及び１２の加熱を停止する。また、緊急バルブ１８１を閉とし、緊急バルブ１８２及び１８３を開とし、分離カラム１１及び１２内を窒素で置換する。

また、温度モニタプロセスコントローラ１８を用いた分離カラム１１及び１２の外部リークの検出は、上述した雰囲気圧力及びプロセス温度の最適化によるトリチウム分離性能向上のための操作に加えて行うこともできるし、これと分離して単独の操作として行うこともできる。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。特に、軽水中のトリチウム分離・濃縮だけでなく、重水中のトリチウム分離・濃縮にも本発明がそのまま適用できる。

本発明の水素同位体の分離装置の一例を示す構成図である。トリチウム分離工程の、分離カラム内における雰囲気の圧力及びプロセス温度に対するトリチウムの分離性能の依存性を示すグラフである。

符号の説明

１１、１２分離カラム
１３加湿器
１４ＳＰＥ電解槽
１５凝縮器
１６真空ポンプ
１７トリチウムモニタ
１８温度モニタプロセスコントローラ

Claims

水素同位体を含む水素ガス，水及び水蒸気を含む雰囲気を所定の減圧下に配置する工程と、
前記雰囲気内の圧力に応じて前記雰囲気に対するプロセス温度を制御し、前記雰囲気内における前記水素ガスの分圧及び前記水蒸気の分圧を制御し、水素−水化学交換反応を通じた前記水素ガスからの前記水素同位体の分離性能を制御する工程と、
を具えることを特徴とする、水素同位体の分離方法。
前記雰囲気内の前記圧力及び前記雰囲気に対する前記プロセス温度を制御することにより、前記水素同位体の分離性能を最適化することを特徴とする、請求項１に記載の水素同位体の分離方法。
前記雰囲気内の前記圧力を９０ｋＰａ以下に設定することを特徴とする、請求項１又は２に記載の水素同位体の分離方法。
前記水素同位体は、前記水素同位体を含む前記水素ガス及び前記水蒸気間の化学交換反応を通じて前記水素同位体を含む水蒸気中間物を得る第１の化学交換反応、並びに前記水蒸気中間物及び液体水間の化学交換反応を通じて前記水素同位体を含む液体反応水を得る第２の化学交換反応を経て、前記液体反応水として分離することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の水素同位体の分離方法。
前記第１の化学交換反応は、所定の分離カラム中に配置した触媒を介して行うことを特徴とする、請求項４に記載の水素同位体の分離方法。
前記第２の化学交換反応は、所定の分離カラム中において、前記水蒸気中間物及び前記液体水を向流接触させて行うことを特徴とする、請求項４又は５に記載の水素同位体の分離方法。
前記水素同位体は、トリチウムであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の水素同位体の分離方法。
前記水素ガスは水を電気分解して得ることを特徴とする、請求項７に記載の水素同位体の分離方法。
定常的な分離過程にある前記雰囲気内の、前記プロセス温度の上昇から、前記雰囲気の外部リークを検出する工程を具えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の水素同位体の分離方法。
水素同位体を含む水素ガス，水及び水蒸気を含む雰囲気を所定の減圧下及びプロセス温度に配置し、前記水素ガスから前記水素同位体を分離する方法であって、
定常的な分離過程にある前記雰囲気内の、前記プロセス温度の上昇から、前記雰囲気の外部リークを検出することを特徴とする、水素同位体の分離方法。
水素同位体を含む水素ガス，水及び水蒸気を含む雰囲気を保持し、水素−水化学交換反応を通じて前記水素ガスから前記水素同位体を分離するための分離カラムと、
前記雰囲気内の圧力に応じて前記雰囲気に対するプロセス温度を制御し、前記雰囲気内における前記水素ガスの分圧及び前記水蒸気の分圧を制御し、前記水素ガスからの前記水素同位体の分離性能を制御するための温度制御手段と、
を具えることを特徴とする、水素同位体の分離装置。
前記温度制御手段は、前記雰囲気内の前記圧力及び前記雰囲気に対する前記プロセス温度を制御することにより、前記水素同位体の分離性能を最適化するように構成したことを特徴とする、請求項１１に記載の水素同位体の分離装置。
前記温度制御手段は、前記分離カラムの外部リークに伴う前記雰囲気の、前記プロセス温度からの温度上昇を検出し、前記分離カラム内での前記水素−水化学交換反応を通じて前記水素ガスから前記水素同位体を分離する操作を停止させることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の水素同位体の分離装置。
前記分離カラムは、前記水素同位体を含む前記水素ガス及び前記水蒸気間の化学交換反応を通じて前記水素同位体を含む水蒸気中間物を得る第１の化学交換反応を実施するための触媒を含むことを特徴とする。請求項１１〜１３のいずれか一に記載の水素同位体の分離装置。
前記分離カラムは、前記水蒸気中間物及び液体水間の化学交換反応を通じて前記水素同位体を含む液体反応水を得る第２の化学交換反応を実施すべく、その内部において前記水蒸気中間物及び前記液体水を向流接触させることを特徴とする、請求項１４に記載の水素同位体の分離装置。
前記水素同位体はトリチウムであって、水から前記トリチウムを含む水素ガスを電気分解して得るための電解槽を具えることを特徴とする、請求項１１〜１５のいずれか一に記載の水素同位体の分離装置。
水素同位体を含む水素ガス，水及び水蒸気を含む雰囲気を保持し、水素−水化学交換反応を通じて前記水素ガスから前記水素同位体を分離するための分離カラムと、
前記分離カラムの外部リークに伴う前記雰囲気の、前記プロセス温度からの温度上昇を検出し、前記分離カラム内での前記水素−水化学交換反応を通じて前記水素ガスから前記水素同位体を分離する操作を停止させるための温度制御手段と、
を具えることを特徴とする、水素同位体の分離装置。