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Dokumentenidentifikation DE69804295T2 17.10.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0978308
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Extraktion von Wasserstoffisotopen aus einem flüssigen Pb-17Li Eutektikum in einem Fusionsreaktor
Anmelder European Community, Luxemburg/Luxembourg, LU
Erfinder Sedano, Luis Angel, 21027 Ispra, IT
Vertreter Spott Weinmiller & Partner, 82340 Feldafing
DE-Aktenzeichen 69804295
Vertragsstaaten AT, BE, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 03.08.1998
EP-Aktenzeichen 981145444
EP-Offenlegungsdatum 09.02.2000
EP date of grant 20.03.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.10.2002
IPC-Hauptklasse B01D 71/02
IPC-Nebenklasse B01D 61/00   G21F 9/06   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Methode zur Extraktion von Wasserstoffisotopen aus einem flüssigen Pb- 17Li-Eutektikum in einem Fusionsreaktor und auf einen diese Methode realisierenden Extraktor.

Von entscheidender Bedeutung für das Konzept des Brennstoffzyklus in Deuterium-Tritium-Fusionsanlagen ist die wirksame und wirtschaftliche Rückgewinnung von Tritium aus dem Pb-17Li-Bruteutektikum.

Ein Aufsatz "Tritium Extraction from Pb-17Li by Bubble Columns" von C. Malara, der in FUSION TECHNOLOGY Vol.28, Oktober 1995, Seiten 693-699 veröffentlicht wurde, beschreibt eine Säule, in der das Brut-Eutektikum von oben nach unten fließt und ein Perlator Helium unter Druck einspeist, wodurch ein Gegenstrom von Gasblasen entsteht, der in der Säule von unten nach oben aufsteigt. Ein Fluß von Tritiumatomen von dem Eutektikum in die aufsteigenden Gasblasen vergrößert zunehmend den axialen molaren Anteil in der Gasphase und extrahiert das Tritium. Es ist derzeit allgemein anerkannt, daß die Extraktionssäulen von derzeit geplanten Fusionsreaktoren voluminös sind und eine geringe Wirksamkeit besitzen, sodaß Serien von Extraktionssäulen erforderlich sind.

Die Erfindung hat zum Ziel, die Tritium-Extraktionsrate zu verbessern und so die Größe des Extraktors und zugleich das Tritiuminventar im Estraktor zu verringern. Dieses Ziel wird durch die Methode gemäß Anspruch 1 sowie durch den diese Methode realisierenden Estraktor gemäß Anspruch 2 erreicht. Hinsichtlich bevorzugter Ausführungsformen des Extraktors wird auf die abhängigen Ansprüche verwiesen.

Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Extraktionsrohr gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Permeationsrate von Wasserstoff abhängig von der Temperatur durch einen erfindungsgemäßen Extraktor und zum Vergleich durch ein Stahlrohr zeigt.

Gemäß Fig. 1 besteht ein Rohr 1 aus einem keramischen Verbundmaterial, das überwiegend von Siliziumkarbidfasern in einer Siliziumkarbidmatrix gebildet wird. Solche Materialien sind beispielsweise aus der Druckschrift EP-A-0 489 636 bekannt. Sie werden auch als SiCf/SiC-Verbundkeramiken bezeichnet.

Die Fasern werden bei hoher Temperatur komprimiert, und die Matrix ergibt sich durch Einsickern aus der gasförmigen oder flüssigen Phase. Das endgültige Rohr kann wie folgt charakterisiert werden:

Faseranteil 40% - Porosität 10% - Dichte > 2,4 g/cm³.

Dieses Material war bisher als Strukturmaterial für Fusionsexperimente vorgeschlagen worden, da es unter thermischen und Strahlenbelastungen sehr stabil ist.

Die Permeation des Gases durch dieses Material ist für Strukturelemente des Reaktors von untergeordneter Bedeutung und wurde nicht einmal untersucht. Nun wurde aber gefunden, daß die Permeationsrate für Wasserstoffatome durch die Wand des aus diesem Material hergestellten Rohrs für ein flüssiges Pb-17Li-Eutektikum außerordentlich groß ist, sodaß sich dieses Material besonders gut zur Bildung einer selektiven Gaspermeationswand bei der Extraktion von Wasserstoffisotopen aus einem flüssigen Pb-17Li-Eutektikum eignet.

Fig. 2 zeigt die Permeationsrate von Wasserstoff für eine Membran A abhängig von der Temperatur im Vergleich zu der einer Wand B aus Stahl gleicher Dicke, wobei die Druckdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite in beiden Fällen 1 kPa beträgt. Dieses Diagramm zeigt, daß die Permeationsraten für Stahl bei Temperaturen unter 500ºC nicht meßbar sind, während die Permeationsrate für das SiCf/SiC-Material um mehrere Größenordnungen höher liegt, und zwar schon für Temperaturen knapp über Raumtemperatur.

In Fig. 1 erkennt man, daß das Rohr 1 aus diesem Material von der Oberseite (Pfeil 2) mit dem flüssigen Eutektikum gespeist wird und daß die Flüssigkeit an der Unterseite (Pfeil 3) entnommen wird. Die Gaspermeationsrate durch das Rohr 1 erlaubt es den Wasserstoffisotopen, die Wand in Richtung der Pfeile 4 zu durchdringen, worauf diese Gase von einer Heliumströmung, die die Außenseite des Rohrs umstreicht, abgeführt werden (Pfeile 5).

Diese Strömung entlang der Pfeile 5 kann in einer alternativen Ausführungsform auch in Gegenrichtung oder bei Bedarf auch senkrecht zur Rohrachse verlaufen. Außerdem kann der Extraktor wie ein Wärmetauscher eine Vielzahl von parallelen Rohren zwischen zwei Sammlern aufweisen.

Der erfindungsgemäße Extraktor kann schließlich mit einem üblichen Wasserstoff-Extraktionssystem gemäß dem oben erwähnten Gasblasenprinzip kombiniert werden. In diesem Fall ist das untere Ende des Rohrs mit einer Leitung zur Abfuhr eines Brut-Eutektikums und mit einer Inertgasquelle verbunden, während das oberen Ende des Rohrs mit einer Zufuhrleitung für das Brut-Eutektikum und mit einer Gasextraktionsleitung verbunden ist, um Gase abzuführen, die durch das flüssige Eutektikum aufgestiegen sind und an der Oberfläche der Flüssigkeit austreten. Eine solche Extraktion akkumuliert die Extraktionsrate des Gasblasensystems mit der des Permeationssystems.

Neben der hohen Permeationsrate, die zu einer hohen Gasextraktionsrate führt, liegt ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung in der niedrigen Temperatur, bei der diese hohen Permeationsraten erzielt werden (siehe Fig. 2). Es ist daher nicht erforderlich, die aus dem Reaktor kommende Flüssigkeit für die Erhöhung der Permeationsrate extra aufzuheizen.

Der erfindungsgemäße Estraktor ist einfach, da keine komplexe Geometrie zur Erhöhung der Verweildauer der Blasen im Rohr erforderlich ist. Dies ermöglicht die Verwendung von relativ kurzen Extraktionssäulen und verringert das dynamische Brennstoffinventar im Extraktor, was wiederum die Sicherheit des Fusions-Brennstoffzyklus verbessert.

Aufgrund des hohen Wirkungsgrads bei niedriger Temperatur, also unterhalb der Temperaturschwelle, bei der SiCf/SiC durch LI korrodiert wird, läßt sich in dem keramischen Material kein Alterungseffekt feststellen. Dies führt zu langen Betriebszeiten.


Anspruch[de]

1. Methode zur Extraktion von Wasserstoffisotopen aus einem flüssigen Brut-Eutektikum Pb-17Li eines Kernfusionsreaktors, dadurch gekennzeichnet, daß das Eutektikum entlang einer ersten Seite einer Wand aus einem keramischen Verbundmaterial geleitet wird, das im wesentlichen aus Siliziumkarbidfasern und einer Siliziumkarbidmatrix, auch SiCf/SiC genannt, besteht und daß ein Inertgas an der entgegengesetzten Seite dieser Wand entlangstreicht, um die Wasserstoffisotope zu sammeln, die die Wand durchdrungen haben.

2. Extraktor zur Durchführung der Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand ein Rohr (1) mit kreisförmigem Querschnitt aus SiCf/SiC ist.

3. Extraktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite des Rohrs (1) so ausgebildet ist, daß das Eutektikum dieses durchströmen kann (Pfeile 2, 3), während das Inertgas die Außenseite des Rohrs umstreicht (Pfeil 5).

4. Extraktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr vertikal angeordnet ist und daß die Strömungsrichtung innerhalb und außerhalb des Rohrs im Betrieb dieselbe ist.

5. Extraktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Rohrs mit einer Abfuhrleitung für das Brut-Eutektikum und mit einer Quelle für ein Inertgas verbunden ist, während das obere Ende des Rohrs mit einer Zufuhrleitung für das Brut-Eutektikum und mit einer Gasabfuhrleitung für den Abzug der Gase verbunden ist, die durch das flüssige Eutektikum aufgestiegen sind und aus der Oberfläche der Flüssigkeit austreten.







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