устройство для подачи изотопов водорода в приемник (варианты)

Формула изобретения

1. Устройство для подачи изотопов водорода в приемник, содержащее вакуумированную рабочую камеру с выходным патрубком, установленные в ней деталь из гидрида металла, нагреватель и элемент, разделяющий рабочую камеру на два объема, в одном из которых находится деталь из гидрида металла, а другой соединен с выходным патрубком, отличающееся тем, что указанный элемент выполнен в виде мембраны с селективной проницаемостью по изотопам водорода, при этом нагреватель установлен между деталью из гидрида металла и мембраной.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что деталь из гидрида металла размещена в оболочке, причем, по меньшей мере, одна из ее стенок выполнена пористой.

3. Устройство для подачи изотопов водорода в приемник, содержащее рабочую камеру с выходным патрубком, установленные в ней деталь из гидрида металла и нагреватель, отличающееся тем, что нагреватель выполнен в виде трубки из материала с селективной проницаемостью по изотопам водорода, при этом один конец трубки загерметизирован, а второй герметично соединен с выходным патрубком с возможностью отделения полости трубки от объема рабочей камеры.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что деталь из гидрида металла выполнена плоской, например, в виде таблетки, а трубчатый нагреватель выполнен в виде плоской спирали и установлен с одной стороны от нее.

5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что деталь из гидрида металла размещена в оболочке, причем, по меньшей мере, одна из ее стенок выполнена пористой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения водорода высокой чистоты методом диффузионной очистки и может быть использовано для подачи его в приемник с возможностью тонкой регулировки величин подаваемых потоков.

В области подачи изотопов водорода в приемник известно устройство для абсорбции и выделения водорода [1]. Оно содержит корпус, в котором установлена деталь из сплава, способного поглощать водород, и вещества, электросопротивление которого выше, чем у сплава. К детали подсоединены электроды, при подаче тока по которым она нагревается, в результате чего регулируется протекание реакций поглощения и выделения водорода. Это устройство может быть использовано для подачи в приемник водорода, выделившегося при нагреве сплава.

Известное устройство имеет следующие недостатки. Оно не обеспечивает очистки водорода от газовых примесей. В случае выделения радиоактивного изотопа водорода - трития вместе с ним неизбежен выход и продукта его распада - Не³. Кроме того, в результате выделения водорода из сплава его электрическое сопротивление меняется, т.к. происходит реакция превращения гидрида сплава в сплав. Для получения постоянной скорости выделения водорода протекающий через сплав ток должен постоянно корректироваться.

Известно устройство для выделения водорода и/или его изотопов из потоков жидкости или газа [2], содержащее проницаемую для водорода трубчатую подложку из пористого керамического материала, центральная наружная часть которой покрыта пленкой из металла или сплава, характеризующейся каталитической активностью и селективной проницаемостью для водорода. При этом наружная поверхность обоих концов трубки покрыта газонепроницаемым материалом. Концы трубки с помощью уплотнений плотно прикреплены к оболочке реактора, при этом образуется полость, в которую поступает исходный поток, содержащий изотопы водорода. Через пленку, обладающую селективной проницаемостью по изотопам водорода, они выделяются из потока, поступают в трубку и отводятся через нее.

Данное устройство позволяет выделять изотопы водорода из потоков жидкости и газов, и поэтому недостатком устройства является его сложность из-за необходимости во внешнем источнике изотопов водорода с изменяемым параметром.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для ввода и отбора изотопов водорода [3]. Оно содержит вакуумированную рабочую камеру с выходным патрубком, установленные в ней деталь из гидрида металла и блок с нагревателем, выполненным в виде проволочной спирали. Деталь из гидрида металла расположена коаксиально вокруг нагревателя, при этом равновесное давление водорода над гидридом металла составляет: <0,1мм рт.ст. при 30С и 1атм при 350С. В рабочей камере размещена экранирующая тепло оболочка, которая разделяет рабочую камеру на два объема, в одном из которых находятся деталь из гидрида металла и нагреватель, а другой соединен с выходным патрубком. При подаче напряжения проволочная спираль нагревается и под действием тепла происходит десорбция изотопов водорода из гидрида металла. При этом давление изотопов водорода в рабочей камере равно равновесному давлению над применяемым гидридом при температуре нагрева. Выделившийся в рабочую камеру газ через патрубок подается в приемник.

Такое устройство обеспечивает подачу в приемник газа с чистотой, реализуемой при нагреве гидрида металла. В частности, для тритида металла это означает наличие примеси радиогенного гелия и других примесей органического и неорганического происхождения, адсорбированных на поверхности тритида и выделяющихся в газовую фазу при нагреве, что не всегда приемлемо для условий работы приемника. В качестве примесей могут выделяться газы, изначально находящиеся в конструкционных материалах устройства. Кроме того, при такой конструкции устройства трудно обеспечить тонкую регулировку потока газа в широком диапазоне величин потоков (при их отличии в крайних значениях на 3-4 порядка). Давление изотопов водорода в камере будет равно равновесному давлению над применяемым гидридом при температуре нагрева, и без всякой регулировки этот поток изотопов водорода будет через патрубок поступать в приемник.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства, обеспечивающего тонкую регулировку потоков газа, подаваемого в приемник, в широком диапазоне потоков (до 3-4 порядков величины) при обеспечении диффузионной чистоты подаваемых в приемник изотопов водорода.

При использовании настоящего изобретения достигаются следующие технические результаты:

- чистота подаваемого в приемник газа повышается как минимум на 2 порядка и составляет не менее 99,99999%;

- расширяется диапазон потоков за счет суммирования температурных эффектов равновесного давления Р(Т) над гидридом и коэффициента селективной проницаемости мембраны _р(Т), которые можно регулировать при помощи изменения температуры рабочих поверхностей устройства. При этом поток рассчитывается следующим образом:

J(mol/s)=K_p(T)S/(LN_A)P(T),

где S - площадь селективной мембраны, L - толщина мембраны, _A - число Авогадро. При изменении температуры мембраны толщиной 0.2 мм из никеля от 400 до 1000К и при равновесном давлении водорода 1 атм проникающий поток изменится на 4 порядка;

- установленный поток поступающего из устройства газа поддерживается с точностью ±0,5% в диапазоне изменения потоков до 4 порядков величины.

Указанная задача решается тем, что известное устройство для подачи изотопов водорода, содержащее вакуумированную рабочую камеру с выходным патрубком, установленные в ней деталь из гидрида металла, нагреватель и элемент, разделяющий рабочую камеру на два объема, в одном из которых находится деталь из гидрида металла, а другой соединен с выходным патрубком, согласно изобретению указанный элемент выполнен в виде мембраны с селективной проницаемостью по изотопам водорода. Нагреватель установлен между деталью из гидрида металла и мембраной. Деталь из гидрида металла размещена в оболочке, причем, по меньшей мере, одна из стенок оболочки выполнена пористой.

Вариантом является устройство для подачи изотопов водорода в приемник, содержащее рабочую камеру с выходным патрубком, установленные в ней деталь из гидрида металла и нагреватель, отличающееся тем, что нагреватель выполнен в виде трубки из материала с селективной проницаемостью по изотопам водорода, при этом один конец трубки наглухо закрыт, а второй - герметично соединен с выходным патрубком с возможностью отделения полости трубки от объема рабочей камеры. Деталь из гидрида металла может быть выполнена плоской, например, в виде таблетки, а трубчатый нагреватель в виде плоской спирали, установленной над ее поверхностью. Деталь из гидрида металла размещена в оболочке, причем, по меньшей мере, одна из стенок оболочки выполнена пористой.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается от прототипа тем, что элемент, разделяющий рабочую камеру на два объема, в одном из которых находится деталь из гидрида металла, а другой соединен с выходным патрубком, выполнен в виде мембраны с селективной проницаемостью по изотопам водорода, при этом нагреватель установлен между деталью из гидрида металла и мембраной. В другом варианте заявляемое устройство отличается от прототипа тем, что нагреватель выполнен в виде трубки из материала с селективной проницаемостью по изотопам водорода, при этом один конец трубки наглухо закрыт, а второй - герметично соединен с выходным патрубком с возможностью отделения полости трубки от объема рабочей камеры. Таким образом, заявляемые устройства соответствуют критерию изобретения "новизна".

При анализе известных технических решений не выявлено устройств, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемых устройств, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

В заявленном устройстве под действием тепла от нагревателя происходит десорбция изотопов водорода из гидрида металла. Под действием тепла от этого же нагревателя происходит разогрев мембраны. Мембрана выполнена из материала с селективной проницаемостью к водороду, например, Pd или Ni. При разогреве мембрана становится проницаемой для изотопов водорода. За счет разогрева от одного нагревателя гидрида металла и мембраны не только упрощается конструкция, но и улучшаются условия регулировки потока. При этом происходит суммирование результатов двух физических явлений. Известно, что равновесное давление изотопов водорода над гидридами металлов пропорционально их температуре. Также известно, что проницаемость металлов изотопами водорода является функцией температуры и давления. Увеличение температуры нагревателя путем увеличения проходящего через него тока, с целью увеличения потока водорода, приводит к увеличению давления водорода в рабочей камере и увеличению проницаемости мембраны. Т.е. поток возрастет за счет суммирования эффектов. Точно так же при уменьшении проходящего через нагреватель тока уменьшается и давление изотопов водорода в рабочей камере, и проницаемость мембраны. Это ведет к уменьшению потока водорода из устройства.

В варианте устройства, когда нагреватель выполнен в виде трубчатой спирали из материала с селективной проницаемостью по изотопам водорода (при этом он выполняет и функцию мембраны), наблюдается точно такое же суммирование двух эффектов - при увеличении проходящего через нагреватель тока его проницаемость увеличивается и увеличивается давление изотопов водорода в рабочей камере за счет повышения температуры гидрида. Изотопы водорода диффундируют во внутреннюю полость трубки через ее стенку. Герметизация трубчатой мембраны с одной стороны и герметичное соединение другого ее конца с выходным патрубком позволяет отделить внутреннюю полость трубчатой мембраны от полости рабочей камеры. Т.о., изотопы водорода, поступившие в полость трубчатой мембраны, полностью изолированы от газовой среды, находящейся в рабочей камере. Т.к. полость трубчатой мембраны герметично соединена с выходным патрубком, то в приемник поступают диффузионно-чистые изотопы водорода.

Для сокращения габаритных характеристик устройства деталь из гидрида металла может быть выполнена в виде таблетки, а трубчатый нагреватель, исполняющий роль мембраны, устанавливают над поверхностью таблетки.

Размещение детали из гидрида металла в оболочке, по меньшей мере, одна из стенок которой выполнена пористой, позволяет решить технологическую проблему удержания порошка гидридообразующего материала в одном геометрическом месте, предотвратить его миграцию по объему устройства, а соответственно и попадание на материал мембраны, что может привести к выходу ее из строя вследствие растворения металла гидрида в металле мембраны. Пористая стенка одновременно позволяет решить вопрос о выходе изотопов водорода из оболочки, а при полном удалении газа из металла - носителя через пористую стенку он вновь заполняется изотопами водорода.

На фиг.1 представлено устройство для подачи изотопов водорода - вариант по п.1 формулы изобретения (с цилиндрическим носителем газа, мембраной и нагревателем).

На фиг.2 представлено устройство для подачи изотопов водорода - вариант по п.3 формулы изобретения (с объединенными нагревателем и мембраной и цилиндрическим носителем газа).

На фиг.3 представлен частный случай устройства для подачи изотопов водорода - вариант по п.4 формулы изобретения (с объединенными нагревателем и мембраной и плоским носителем газа) и вид сверху в разрезе.

Устройство на фиг.1 содержит корпус 1, в котором установлены деталь 2, выполненная из гидрида металла, являющегося носителем газа - изотопа водорода (либо смесей изотопов водорода), нагреватель 3 в виде спирали, электроды 4, выходной патрубок 5. Деталь 2 заключена в оболочку 6, которая, как минимум, с одной стороны выполнена пористой, например, из пористой нержавеющей стали. В случае полного удаления газа из детали 2 для заполнения носителя в корпусе предусмотрен патрубок 7 с заглушкой 8. В корпусе 1 также содержится мембрана 9 с селективной проницаемостью по водороду, отделяющая объем с гидридом металла от объема, в котором установлен выходной патрубок. Нагреватель 3 расположен между мембраной 9 и деталью из гидрида металла 2.

Устройство на фиг.2 и фиг.3 содержит корпус 1, в котором установлены деталь 2, выполненная из гидрида металла, являющегося носителем газа - изотопа водорода (либо смесей изотопов водорода), нагреватель 3 в виде трубки из материала с селективной проницаемостью по водороду, выполняющий и функцию диффузионной мембраны. Один конец трубки герметичен соединен с электродом 4, а другой ее конец герметично установлен в выходном патрубке 5. Деталь 2 из гидрида металла может быть выполнена в виде полого цилиндра и установлена коаксиально относительно нагревателя-мембраны 3 (как показано на фиг.2). Возможен и другой вариант, когда деталь 2 из гидрида металла выполнена плоской, например, в виде таблетки, а трубчатый нагреватель - мембрана 3 выполнена в виде плоской спирали и расположена над поверхностью таблетки (как показано на фиг.3). Деталь 2 заключена в оболочку 6, которая, как минимум, с одной стороны выполнена пористой, например, из пористой нержавеющей стали. В случае полного удаления газа из детали 2 для заполнения носителя в корпусе предусмотрен патрубок 7 с заглушкой 8.

Устройство по фиг.1 для подачи изотопов водорода в приемник работает следующим образом.

При подаче напряжения на электроды 4 и корпус рабочей камеры 1 происходит разогрев нагревателя 3, под действием тепла от которого происходит разогрев детали 2 из гидрида металла и мембраны 9. Это приводит к десорбции водорода из детали 2 и появлению проницаемости мембраны 9. Выделившийся водород заполняет рабочую камеру 1 и направляется к мембране 9, отделяющей часть рабочей камеры с гидридом металла от другой ее части, в которой находится выходной патрубок 5. Газ проходит через мембрану и поступает в выходной патрубок. Таким образом осуществляется очистка выходящего из устройства водорода.

Изменяя величину прикладываемого напряжения между корпусом 1 и электродом 4, можно в широком диапазоне параметров варьировать потоком изотопов водорода, направляемым в приемник.

Устройство по фиг.2 и 3 для подачи изотопов водорода в приемник работает следующим образом.

При приложении напряжения к электроду 4 и корпусу рабочей камеры 1 происходит разогрев трубки нагревателя 3, под действием тепла от которого происходит разогрев детали 2 из гидрида металла и десорбция водорода. Выделившийся водород диффундирует через стенку трубки 3, выполняющей одновременно и функцию мембраны, во внутреннюю полость трубки. Т.к. один конец трубки герметичен, а другой - герметично установлен в выходном патрубке 5 рабочей камеры 1, то находящиеся в трубке изотопы водорода изолируются от полости рабочей камеры и в приемник поступают чистые изотопы водорода.

Изменяя величину прикладываемого напряжения между корпусом 1 и электродом 4, можно в широком диапазоне параметров варьировать потоком изотопов водорода, направляемым в приемник.

Предлагаемое устройство для подачи изотопов водорода в приемник реализовано в виде варианта по п.3 формулы изобретения с гидридом ZrCO₂ и селективной трубкой из никеля. После насыщения гидрида металла водородом при давлении 1 атм на электроды устройства подавался ток от 0 до 5А, при этом поток натекания изменялся от величины ~0.1 см³бар/час до величины 2500 см³бар/час.

Источники информации

1. Устройство для абсорбции и выделения водорода с применением сплава, поглощающего водород. Патент Японии №6092241 В4 (заявка №61-230375 с приоритетом от 29.09.86), опубл. 16.11.94, МПК⁶ С 01 В 3/00, журнал "ИСМ", выпуск 37, №4, 1998, стр.9.

2. Керамический каталитический мембранный реактор для отделения водорода и/или его изотопов от исходных потоков. Патент США №5366712, опубл. 22.11.94, МПК⁶ С 01 В 3/00.

3. Устройство для ввода и отбора изотопа водорода сверхвысокой чистоты. Заявка Японии № 59137301, опубл. 07.08.84, МПК⁶ С 01 В 4/00.