水素エネルギーシステム Vol.l9， No.l， 1994 研究論文 有之宇舌 ~I'主力申スカミらの 7J<.費零 I司 f:íL
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本 O J長 子 高 佐 と 同 及 扇 麗 O J史とぽコ O J妥当E厚 露 来 立 弓 子 ラ 乞 主 輿F
膏 O J査汗ヲ宅 深田智、 湊博一、 徳永貴一、 淵 之 上 克 宏 西 川 正 史 九 州 大 学 工 学 部 応 用 原 子 核 工 学 科 干812 福 岡 市 東 区 箱 崎6-10-1A Study of Metal Particle Beds for Separation and Storage of Hydどogen工sotopes from an Iner七 Gas Mixture
Sa七oshi Fukada
，
Hirokazu Mina七0，
Katsuhiro Fuchinoue，
Kiichi Tokunaga and Masabumi .Nishikawa
Separation of hydrogen isotopes from inert gas mixtures is one of the most importan七 issues for the research and
development of a fuel cycle of a future fusion reactor. The method of metal particle beds was experimentally
investigated for the application to the fuel cycle. Yttrium
，
zirconium，
titanium and some zirconium alloys，
B.g. ZrNi，
ZrCo，
ZrV2' Zr (VXFel-X) 2，
Zr3AL2' were found to be promising materials to have high absorption ability under very low hydrogen isotope concentration. 工n this report our attention was focused on the prediction of hydrogen absorption rate and impurity effects. A continuous method for hydrogen isotope separation using two hydrogen absorbing 'alloys ~asalso proposed. 1 0 緒 言 水 素 同 位 体 ( 水 素 、 重 水 索 、 三 重 水 素 ) に 関 す る 工 業 技 術 は 、 原 子 力 の 分 野 に お い て 将 来 実 現 可 能 性 の 高 い 核 融 合 炉 の 開 発 に 必 須 で あ り 、 燃 料 の 重 水 素 や 三 重 水 素 ( ト リ チ ウ ム ) の 注 入 ・ 回 収 ・ 分 離 ・ 循 環 ・ 生 成 を 基 本 と し た 核 融 合 炉 燃 料 サ イ ク ル を 確 立 す る 上 で 必 要 な 操 作 で あ る 。 図 1は 電 気 出 力1000MWの 核 融 合 炉 の 予 想 さ れ る ト リ チ ウ ム の 流 れ 図 で あ る 。 炉 心 プ ラ ズ マ に 1日当り 500gの ト リ チ ウ ム と 重 水 素 の 混 合 ガ ス が 注 入 (Injection)されるが、 5 %程 度 の 反 応 率 の た め 大 部 分 の ト リ チ ウ ム は そ の 反 応 生 成 物 ( ヘ リ ウ ム ) や 炉 壁 か ら 放 出 さ れ る 不 純 物 ( 炭 素 、 酸 素 、 窒 素 の 化 合 物 〉 と 共 に 排 気 (Exhaus t)さ れ 、 必 要 な 精 製 (Pur i -fication)、 同 位 体 分 離 (Isotope separation)、 貯 蔵 (Tritium storage)、 燃 料 調 合 (Fuel management)の j頓 に 処 理 さ れ た 後 再 注 入 さ れ る 。 ト リ チ ウ ム は 天 然 に ほ と ん ど 存 在 し な い の で 、 ブ ラ ン ケ ッ ト (8 lanket)に お げ るLiの(nα 〉反応に よ っ て 、 燃 焼 と ほ ぼ 同 量 が 生 成 さ れ 自 給 さ れ る 。 生 成 さ れ た ト リ チ ウ ム は ス ウ ィ
-20-ず
5
1
よ
l間
.
1
，
シ
ゐ
Z
f
研究論文図
1
代 表 的 な 核 融 合 炉 の ト リ チ ウ ム の 流 れ 図ー プ ガ ス 〈 通 常 ヘ リ ウ ム ) で ブ ラ ン ケ ッ ト か ら は き 出 さ れ (Sweep gas c i rcu la-tion)、 精 製 (P u r i f i ca t i 0 n ) 、 燃 料 調 合 の 後 注 入 さ れ る 。 そ の 他 、 エ ネ ル ギ を 取 り 出 し 利 用 す る た め の 熱 交 換 器 (Heat exchanger) の 配 管 を 通 し て ト リ チ ウ ム が 環 境 に 漏 洩 す る の を 防 止 す る た め 、 冷 却 系 か ら ト リ チ ウ ム 回 収 (Tritium r，ecQv量 ery)も 必 要 な 擦 作 で あ る 。 現 在 、 水 素 吸 蔵 金 属 ・ 合 金 は 、 燃 料 サ イ ク ル の 水 素 同 位 体 貯 蔵 、 燃 料 排 ガ ス か ら の ト リ チ ウ ム 回 収 、 ブ ラ ン ケ ッ ト ス イ ー プ ガ ス か ら の ト リ チ ウ ム 回 収 へ の 使 用 が 計 画 さ れ て い る 。 し か し 環 境 中 の ト リ チ ウ ム ガ ス 濃 度 の 規 制 値 は 0.074Bq/ccで 、 こ れ を 大 気 圧 下 の ト リ チ ウ ム 分 圧 に 変 換 す る と 7.8xl0 -8Pa (濃度で 0.78xl0-5ppm) と な る 。 従 っ て 、 も し こ の 濃 度 ま で ト リ チ ウ ム を 回 収 す る に は 、 水 素 エ ネ ル ギ 関 係 で 注 目 し て い る 水 素 分 圧 よ り は る か に 小 さ い 水 素 同位体濃度における操作が要求される。 一 方 水 素 エ ネ ル ギ 工 学 の 分 野 に お い て は 、 金 属 水 素 化 物 は 電 気 ・ 熱 ・ 機 械 ・ 化 学 の 各 エ ネ ル ギ 問 の 相 互 変 換 を 可 能 に す る こ と か ら 、 多 く の 分 野 ( 例 え ば 、 燃 料 電 池 ・ 冷 暖 房 シ ス テ ム ・ 水 素 自 動 車 ・ ア ク チ ュ エ ー タ ー ・ セ ン サ ー 等 ) へ の 応 用 が 期 待 さ れ て い る 。 い ま 研 究 ・ 開 発 へ の 要 求 あ る い は 方 向 性 で 両 者 を 較 べ る と 、 い く つ か の 共 通 点 と 相 違 点 が 浮 か び 上 が っ て く る 。 相 違 点 を 挙 げ る と 、 核 融 合 炉 では天然に殆ど存在しない放射性のトリチウムを扱うので、(1)低濃度までの回収 のための高い分離性能、 (2)操作の確実性と高い予測精度、 (3)常温から 700
・
C程 度 ま で い ろ い ろ な 温 度 、 流 体 、 不 純 物 混 入 条 件 で の 操 作 が 特 に 要 求 さ れ る 。 従 っ て 着 目 す る 金 属 に も 違 い が 生 じ る 。 前 述 の 濃 度 領 域 の 平 衡 圧 が 期 待 で き る 金 属 に 、Y
、 Sc、Z
r
、Ti等 の 金 属 と 、 各 種Z
r
の合金が現在考えられているー 金 属 水 素 化 物 へ の 水 素 吸 蔵 に よ る 分 離 ・ 精 製 の た め の 現 実 的 方 法 と し て 、 金 属 粒 子 充 填 層 が 有 望 な 利 用 形 態 の 一 つ で あ る 。 こ の 方 法 は 金 属 粒 子 の 細 か い 粒 子 、 あ る い は 他 の 熱 緩 衝 材 と 混 合 し た も の を 縦 型 あ る い は 横 型 に 充 填 し 、 充 填 塔 入 口 よ り 水 素 同 位 体 混 合 ガ ス を 流 入 さ せ 、 必 要 な 吸 蔵 を 行 わ せ る 事 に よ り 水 素 と そ れ-21-水素エネルギーシステム
Vol.19. No.1. 1994 研究論文
以 外 の 成 分 に 分 離 し よ う と す る も の で あ る 。 著 者 ら は 燃 料 サ イ ク ル で 必 要 な 極 く 低 濃 度 ま で の 回 収 条 件 を 満 足 す る 金 属 と し て 、 y<1-3)，Zr(4). Ti(5.6l、 合 金 と
してZrNi(7)
，
ZrV2(8)，
Zr(VXFel-X)2(9)，
ZrCo(10)，
LaNi5_xAlx(lUを取り上げ、そ の 吸 蔵 と 脱 離 速 度 を 求 め て き た @ 我 々 は 材 料 科 学 的 な 研 究 指 向 に と 告 わ れ ず 、 プ ロ セ ス 指 向 あ る い は 実 用 操 作 指 向 の 観 点 か ら 研 究 を 押 し 進 め 未 解 決 の 問 題 を 考 察 し て き た 。 本 論 文 で は 上 記 の 相 違 点 ( 問 題 点 ) の 内 、 充 填 層 の 水 素 囲 収 速 度 の 高 精 度 の 予 測 、 低 濃 度 水 素 ま で の 囲 収 、 不 純 物 被 毒 に 関 し て 得 ら れ た 結 果 を ま と め 、 さ ら に 金 属 水 素 化 物 は 、 そ の 同 位 体 効 果 を 利 用 し て 水 素 同 位 体 分 離 へ 適 用 が 可 能 で あ る の で 、 そ の 研 究 に 関 し て も 報 告 す る 。
2
。 充 填 層 で の 水 素 吸 蔵 実 験 図2
は 実 験 に 使 用 し た 流 通 型 の 金 属 粒 子 充 填 層 の フ ロ ー シ ー ト で あ る 。 塔 は 石 英 ガ ラ ス あ る い は ス テ ン レ ス 製 で あ る 。 充 填 層 へ の 水 素 吸 蔵 速 度 の 正 確 な 予 測 と 物 質 移 動 現 象 の 解 明 の た め 、 充 填 層 内 の 贋 量 収 支 式 、 金 属 粒 子 の 物 質 移 動 速 度 式 、 金 属 一 水 素 の 平 衡 等 温 線 (PC T曲 線 ) を 連 立 さ せ 数 値 計 算 し た 。 こ こ で は 水 素 吸 蔵 に お け る 発 熱 の 影 響 を 無 視 し て い る 。 ( 水 素 エ ネ ル ギ 工 学 で は バ ル ク ガ ス 成 分 は 水 素 で あ る の で 、 発 熱 は 系 を 支 配 す る 要 素 の 一 つ で あ る が 、 低 渡 度 の 水 素 吸 蔵 を 取 り 扱 う 場 合 そ の 影 響 は 無 視 で き る ) 。 解 析 式 は 次 の 通 り で あ る 。 (θC/δt) +v
(a
C/δz) + (r /2 e)(a
qm/a
t) =D
L(δ2C/a
Z2) (1)r
(
a
qm/a
t) = kcompav(C-Ci) =r
ksavg(ql .qm) (2) C1=
f (ql) (3) こ こ でc
とqmは 流 体 中 の 水 素 濃 度 と 粒 子 内 の 平 均 水 素 濃 度 で あ り 、 添 え 字 のi
は 粒 子 表 面 濃 度 に 関 す る 値 で あ る 。 係 数 のε v .
r
.
D
L
.
kco mp • ks. avは そ れ ぞ れ 充 填 層 の 空 隙 率 、 充 填 層 内 の す き ま を 流 れ る 速 度 、 充 填 密 度 、 軸 方 向 混 合 拡 散 係 数 、 流 体 濃 度 を 基 準 と し た 涜 体 側 物 質 移 動 係 数 、 間 体 側 物 質 移 動 係 数 、 比 表 面 積である。 g(Ql，
qm)は 水 素 化 反 応 の 速 度 式 で あ り 、 線 形 推 進 力 近 似 を 用 い る と 、 g(qi .qm) = ql-qmで表される。 平 衡 等 温 線 (cl=f(qd)は、 PCT曲 線 を 数 式 化 す る 事 に よ っ て 与 え る 。 例 え ば 、 等 温 線 に プ ラ ト ー と ヒ ス テ り シ ス を 持 つZrCo-H系 に つ い て 、 下 記 の 式 で 数 式 化 す る 事 が で き た 。 RgTln(PH2/Pplat) - 2RgTlη[ 司s-qo)/qo(qs - q)] = 〈司一司S)(alQ3+a2q2+a3q+a4) (4) こ こ で し は ガ ス 定 数 (kJ/盟oK)、 qは 合 金 に 対 す る 水 素 の 原 子 比 で 表 し た 吸 蔵 量 、 qsは飽和吸蔵量、 qoは プ ラ ト ー の 中 点 に お け る 吸 蔵 量 で あ り 、 そ れ ぞ れqs=3
、 qo =1
.
5
である。 PPlatは プ 苧 ト-ff
力 (Pa)で あ り 次 式 で 与 え ら れ る ⑬ - m V J 胞 汀 + ・ K M M m 句 お ぬ ① ⑦ ① M邸 flowmeter ① Gas伽 omatogrゆ ⑦Ro町 pump ① Diffusion pump ⑦Cold trap 図2
- ﹄L 子 充 填 層 実 験 装 置 幽 冨 苛 ① ﹂ 鍋-22-研究論文 Hydrogenatlng 関 口 A 0 0 玄 0 130 160 200 250 300 365 400C - Estlmated Dehydrogenatlng ~
.
・
x・
200 250 300 365 400 C ...Esllmated 6 必 喝 の d 円 ， h(
ω
仏 、
z a ) m o一
0 0.0 5 3.0一
一
Correlation 米 200.C 玄 300.C M 400.C ロ500.C A 600.C o 800.C o 900.C 2.5ZrCo
の 平 衡 等 温 線 1.0 .1.5 2.0 nJ H'n "ZrCo 0.5 図3 101 100 10・2 10-3 10・1 水素エネルギ シ ス テ ムVo
1.19
，No.1
，1994
PPlat/(1.0133xl05
P
a
)
= exp
[(ー78.4+O.126T)
記g
T
1
(
5
)
a
J
(j= 1"'4)
はP
C
T
曲 線 か ち 求 め ら れ る 定 数 で あ り 、 次 の 値 が 得 ら れ た 母al=5.26
， a2=
一
1
5
.
6
a3=16.8
，a4=15.1
報 告 さ れ て い る 実 験 値 (1 2)と 比 較 し た 結 果 を 図 3に示す。 一 方Zr3A12
のPCT
曲 線 は 、 平 衡 線 に プ ラトーを持たず、Sieverts
棋 の 成 立 す る 低 温 度 域 か ら 飽 和 吸 蔵 領 域 ま で 連 続 的 に 上 昇 す る 。 こ の 様 な 場 合 に つ い て も 経 験 的 に 下 記 の 式 でPCT
曲 線 が 数 式 化 で き た @q= QSKSPH2
0.5/[Qsn+ (KSPH2
0.5
)
n
]1/
n
(6) こ こ で し はSieverts
定 数 で あ り 次 式 で 与 えられる。Ks= 4.46xl0-2exp(8400/T)
(
P
a
O.5m
3/
k
g
]
nはPCT
曲線と(
6
)
式 と の 比 較 か ら 求 め ら れ る 定 数 で あ り 、Zr3A12
で は0
05
が 最 適 値 で あ っ た 。 報 告 さ れ ている実験値<13)と比較した結果 を図 4に示す。 (1)--(3)式 で 解 析 前 に 未 知 な の は、 kcompav( ガ ス 側 の 菰 散 抵 抗 と 粒 子 表 面 に お け る 反 応 速 度 定 数 を 合 成 し た 物 質 移 動 容 量 係 数 ) とk
s
av ( 粒 子 内 の 拡 散 抵 抗 を 表 す 物 質 移 動 容 量 係 数 ) で あ る 。 こ れ ら の 値 を 実 験 値 と 計 算 債 の 比 較 か ら 求 めた。 (7) { 旬 。 ド } N Z R 凶 試 料 に そ れ ぞ れ 適 当 な 温 度 ま で の 加 熱 と 真 空 排 気 を 施 す 事 に よ っ て 活 性 化 し た 後 、 実 験 で 得 ら れ た 充 填 層 出 口 か ら の 流 出 水 素 漉 慶 曲 線 の 例(Zr(V
O.8
3
F
e
o
.
1
7
)
2
粒 子 ) を図 5に示す。図の曲線はじト(:3)式による計算値である。この様に解析結果は出 口 水 素 濃 度 の 実 験 値 の 変 化 を 正 確 に 再 現 す る 事 が で き た 。 図 の 曲 線 の 傾 き は い ず れ も 非 常 に 鋭 く 、 特 に 低 護 度 域 で おf
直 は ガ ス ク ロ マ ト グ ラ フ の 検 出 眼 界 (1
ppm)
以 下 で 喪 好 な 水 素 吸 蔵 特 牲 を 発 揚 し て い る 。 同 様 の1ppm
までの回収は、ZrNL
ZrV2. ZrCo
，
Zr3A12
等 に よ コ て も 達 成 さ れ たo 解 析 と 実 験 と の 照 合 よ り 、 流 出 曲 0.1 10-4Z
r
系 合 金 の 吸 蔵 特 性 30Zr3AL2
の 平 衡 等 調 線 図 4 q ο n L水素エネルギーシステム Vol.19， No.1， 1994 線 の 初 期 の 部 分 で は 、 粒 子 表 面 1.0 の 反 応 過 程 ( す な わ ちkcompav に 支 配 さ れ 、 流 出 曲 線 は 指 数 関 数 的 に 増 加 し た 。 そ し てkco踊paν の 増 加 は 流 出 曲 線 の 立 ち 上 が り 部 分 の 傾 き の 増 加 を 意 味 す る 。 図 6 と 7は 、 い く つ か の Zr合 金 で 求 め たkcompavの 比 較 例 で あ る。 kcolllpavは 水 素 濃 度 に よ ら 一 定 で あ り 、 各 粒 子 表 面 上 の 反 応 は 一 次 反 応 で あ っ た 。 図 か ら Zrや Vの 単 体 の 反 応 速 度 よ り 合 金 化 し た 方 が 表 面 反 応 速 度 が 大 き く 改 善 さ れ 、 ま た
V
の 一 部 鉄 へ の 置 換 に よ り さ ら に 増 加 し た 。 ま た 合 金 化 し た も の は す べ て 常 温 に お い て も 高 い 水 素 吸 蔵 能 力 を 所 持 す る 事 が 見 い だ さ れ た 。 こ れ ら は い ず れ も Zrと 合 金 化 に 使 用 し た 他 の 金 属 と の 酸 化 速 震 の 違 い から、 Zrが 酸 化 さ れ て も 他 の 金 属 が 表 面 に 比 較 的 高 活 性 な 解 離 点 を 生 み 出 す 事 に よ っ て 定 性 的 に 説 明 で き る 。 ぜ0.5 丸J o Zr(、
b晶 子 句7
n
A Zr冶 {tJ 102 T・
100・
C。
¥ ー。
凶。
c 占。
。
A & &心
一
一
101 & 10"1c
.
[Y.l 図6 kcolllpavの 水 素 濃 度 依 存 性 研究論文 O o 100 150 200 Time (minJ 図5
充 填 層 か ら の 水 素 の 流 出 曲 繰 記100 ¥i
¥
刊
文
¥
三
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治
一
一
一
一
τ一
一一
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I
J
.
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.
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。
。
10 ..a. -.r.L --c.. 日 1.0 1.5 2.0 2.5 10'fT [lIK] kcolllpavの 温 度 依 寄 性 図7 4。 不 純 物 被 毒 不 純 物 耐 性 は 、 金 属 ・ 合 金 を 実 際 の 水 素 吸 蔵 に 利 用 す る 場 合 重 要 で あ る 。 被 毒 度 を 定 量 化 す る た め に は 被 毒 し て い な い 基 準 備 が 必 要 で あ る 。 従 っ て ま ず 、 過 去 か な り 水 素 吸 蔵 の 研 究 が 行 わ れ て い るT
i
を 用 い て 被 毒 度 を 定 量 化 す る 事 を 試 み た 。 圏 8は6
0
0
0C
におけるT
i
の 水 素 吸 蔵 は 及 ぼ す 窒 素 の 影 響 を 調 べ た 結 果 で あ る 。 図 の @ は 窒 素 を 含 ま な い 時 の 水 素 の 流 出 曲 線 で 、 そ の 他 は 入 口 ガ ス に 窒 素 を 含 む も の で あ る 。 こ の 犠i
こ入口ガ ス に 含 ま れ る 窒 素 濃 度 の 増 加 に よ っ て 水 素 の 吸 蔵 速 度 ( 図 のt
E-t
8
の 逆 数が吸蔵速度に相当し、t
EはC
/
C
o=
UO 0.5 U ﹃ ， 脚 内 ， . N N Z Z N2%%NN 0 1 3 % % n n u n u ' E e J + 0.1 0.2 0.3 内0.4 0.5 0.6x10・3 uSCot1m'] 図8 チ タ ン の 窒 素 被 毒 の 影 響 ( 横 軸 は 流 入 水 素 量 、 縦 軸 は 入 口 水 素 濃 度 に 対 す る 出 口 水 素 濃 度 の 比 ) dU1 9 白水素エネ/レギーシステム V ol.19， No.1， 1994
0
.
9
となる時間、t
5
はc/Co=o.
と な る 時 間 ) が 減 少 す る が 、 吸 蔵 量 ヘ の 量5
響 は 少 な か っ た 。 図s
は 窒 素 漉 度 を 閤 定 し 、 益 水 素 濃 度 と 温 度 を そ れ ぞ れ 変 化 さ せ た 場 合 の 吸 蔵 量 と 吸 蔵 速 度 を 、 そ れ ぞ れ の 条 に お け る 窒 素 を 含 ま な い 場 合 的 舗 で 規 格 化 し た 結 果 で あ る 。 図 のO
と @ は 水 素 の 吸 蔵 速 度 (t
8
-t
8
の 逆 数 〉 の 被 毒 度 を 表 し 、 ロ と 圃 は 水 素 吸 蔵 量 の 被 毒 度 を 表 す 。 図 よ り 5000 C以 上 で 吸 藤 量 は 被 毒 に よ っ て あ ま り 影 響 を 受 付 怠 い が 、4
0
0
0 Cで は 充 填 層 形 式 の 一 定 接 触 時 間 で は ほ と ん ど 水 素 を 吸 蔵 し な い 事 が 分 か る 。 一 方 吸 蔵 速 度 は8000 Cか らi
温 度 の 下 降 と 共 に 水 素 吸 蔵 速 震 が 減 少 し 、 500D C で 吸 蔵 速 度 は 窒 素 を 含 ま な い 場 合 に 地 ベ て 1/5程 度 ま で 減 少 し た 。 X 纏 解 析 の 結 果 、 窒 素 化 物 は 8000 C以 上 で 観 察 さ れ た 。 従 っ て5000 Cに お け る 吸 蔵 速 農 の 館 下 は 表 面 近 傍 の 収 着 窒 素 に よ る 水 素 解 離 抵 抗 の 増 加 が 主 な 原 因 で あ ろ うo ま た こ の 機 な プ 自 ツ ト に よ り 水 素 濃 度 に よ ら な い 一 般 的 な 被 毒 曲 線 が 得 ら れ る 事 が 見 い1
さ せ る 。 被 毒 現 象 は 過 去 定 性 的 に 理 解 で き て も 定 量 的 な 評 価 は 難 し か っ た が 、 ζ こ で 与 え た 比 較 法 が 定 量 化 に 結 び 付 く と 考 え て い る 。 ま た 今 後 は 不 純 物 の 被 毒 の 小 t ['C] さ く 耐 久 性 の 高 い 合 金 の 開 発 費 考 え 1030 1??"!??? ?r22
ている。 9 研究論文 CH1=1.0%。
(tE-tB)/(tE-tB)N同 ロ qH.EI'(QH.E)N2:O CH・
2=5.0% (tE匂)/(tE-tE)N2=O・
qH.EI'(司H，E)Nl:O CN2=O.30% O 1ト…一一一-・…..---_.・E・-
-
-
-
-
-
-
-
1
-
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冊。....11.… 】 } 圃-
s
400 500 600 700 800 ['C]T
e
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a
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u
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•
3 トー 21 -5ト 4ト 6←
O 7。
A Z ( 円 出 ぜ ) ¥ 凶 . 居 間 M H O O A Z (同 日 目 ♂) ¥
( g
'
♂ ) 吸 蔵 量 と 吸 蔵 速 度 の 被 毒 度 図 9 Pd 金 属 ( 合 金 ) 水 素 化 物 に は 常 温 付 近 で 水 素 吸 蔵 量 が 大 き く 、 水 素 と 重 水 素 あ る い は ト リ チ ウ ム 聞 の 同 位 体主
分 離 係 数 が 比 較 的 大 き い も の が あ る 曲 ; 図 10は 溶 離 ク ロ マ ト グ ラ フ ィ に よ3
っ て 測 定 し た 同 位 体 分 離 係 数 の 結 果5
を 示 す 。 こ の 様 にPdの 向 位 体 分 離 係E
数 α は 1以 上 で 水 素 を 優 先 的 に 駿 藤 品 し、 LaNi5-xAlxのαは 1以 下 で 重 水 素 を 優 先 的 に 吸 蔵 す る 。 い ま 国 1 に 示 す 様 にA
塔 に 水 素 を 比 較 的 暁 蔵 し易い金属、 B塔 に 重 水 素 ( あ る い は ト リ チ ウ ム ) を 比 較 的 吸 蔵 し 易 い 金 属 を 充 填 し 、 各 塔 で 合 金 水 素 系 の プ ラ ト ー 領 域 を は さ む こ つ の 温 度 で 水 素 同 位 体 の 吸 蔵 と 脱 般 を 交 互 に 行 う と 各 塔 の 同 位 体 効 果 の 遭 い に よー
-
Botte(・r76) - Botter(・64) Andreev(・64) '罰百10mぉ('59) . .. Gleuckauf('57)…
Nemst(・64) This work O・
Sample2P4 d. Sample 2P5 水 素 同 位 体 分 離 へ の 再 開 50 ロ 5.0 口 3.0 4.0 1000庁 [K.1 ] 同 位 体 分 離 係 数 図 10 -25-2.0水素エネルギ シ ス テ ム
Vo
l.l
9
，No.l
，1994
研究論文 っ て 水 素 同 位 体 が 各 塔 に 分 配 さ れ る 。 こ れ は 自 己 置 換 型 ク ロ マ ト グ ラ フ ￨予備(全遠流)操作! ィ で あ る と 同 時 に 、 低 温 吸 麓 と 高 温 脱 離 の 杏 操 作 時 に ガ ス の 涜 れ が 逆 転 す る 間 欠 向 流 型 の 分 離 操 作 に .もなっている。いま水素と重水素』 の 連 続 的 な 同 位 体 分 離 を 行 う た め仁亙豆口
に は 、 ま ず 二 つ の 塔 の 間 で 全 還 沈 操 作 を 行 い ( 予 備 操 作 〉 、 各 水 素 同 位 体 の 定 常 濃 度 分 布 を 塔 内 に 既 成した上で、 A塔 の 高 温 脱 離 ガ ス に 供 給 流 を 加 え 、 併 せ て B塔 に 詮仁歪窒口
入し、 B塔 で 重 水 素 の 選 択 的 吸 蔵 を 行 っ た 上 、 重 水 素 の 減 損 流 をB 塔 の 出 口 よ り 排 出 す る ( 過 程 1)。 そ し て 半 サ イ ク ル 後 に こ の 操 作 を 逆向きにし、 B塔 か ら の 脱 離 ガ ス に 供 給 流 を 加 え 、 濃 縮 流 をA
塔 の 出 口 よ り 排 出 す る ( 過 程 2 )。以 後 過 程1
と2
の 操 作 を 練 り 返 す 事 に よ っ て 供 給 流 を 間 欠 的 にA
塔と B塔 の 出 口 か ら 濃 縮 流 と 減 損 流 と 図11
A4
供給流也主旦墜)
笹重重む
供給流。
匙
1昆蚊I誠) (高温脱離〕少寸ー
open valve令 や
closed valve 二 塔 式 水 素 同 位 体 同 位 体 分 離 し て 取 り 出 す こ と が で き る 。 こ の 時 塔 内 を 流 れ る ガ ス は 水 素 化 物 よ り の 脱 離 ガ ス と 供 給 流 の み で あ る の で 、 不 純 物 混 入 の 可 能 性 は 少 な い 。 こ れ ま でA
塔にP
d
を、B
塔 にLaNi
4.7Alo.3
を 充 填 し 、 分 離 実 験 を 行 い 原 理 的 に 濃 縮 可 能 で あ る こ と が 認 め ら れ た (14)。 6。 結 言 与 え ら れ た 金 属 ・ 合 金 の 粒 子 充 填 層 の 設 計 に 必 要 な 解 析 計 算 法 を 確 立 し た 。Z
r
合 金
(ZrCo
，ZrN
，iZrV2， Zr(VXFel-X)2，
Zr3A12)
の 充 填 層 は 、 各 操 作 温 度 で 核 融 合 炉 の 燃 料 サ イ ク ル に 使 用 す る に 必 要 な 低 い レ ベ ル ま で 水 素 同 位 体 の 回 収 を 行 い 得 る 事 が 分 か っ た 。 ま た 不 純 物 の 被 毒 度 を 定 量 化 す る 方 法 を 見 い だ す 事 が で き た 。 し か し 、 金 属 や 合 金 の 違 い に よ る 物 質 移 動 係 数 の 評 価 等 、 未 知 の 合 金 性 能 評 価 を 行 え る 様 な 習 熟 し た レ ベ ル に 至 る に は な お 多 く の 課 題 が あ る 。 ま た 、 二 つ の 水 素 吸 蔵 合 金 の 同 位 体 効 果 の 違 い を 効 果 的 に 利 用 し た 連 続 的 同 位 体 分 離 操 作 が 理 論 と 実 験 で 確 か め ら れ た 。 文 献(l)S.Fukada e
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Nucl. S
C
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Technol.
，25(1988)895
(2)S.Fukada e
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，
24(1991)113
(3)S.Fukada e
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26-水素エネルギーシステム
