Устройство для очистки изотопов водорода

Использование: получение водорода высокой чистоты методом диффузионной очистки. Сущность полезной модели: устройство содержит рабочую камеру, расположенный в ней блок из параллельно установленных цилиндрических мембранных элементов, выполненных из материала с селективной проницаемостью по изотопам водорода. Внутри каждого мембранного элемента установлен нагреватель. Мембранный блок разделяет рабочую камеру на входной и выходной объемы, в каждом объеме выполнено выходное отверстие. Внутренние объемы мембранных элементов сообщены между собой и с входным объемом. Мембранные элементы и нагреватели выполнены из металла V группы. Напротив торцов мембранных элементов установлены кварцевые экраны. Технические результаты: скорость откачки изотопов водорода составляет от 1,5 до 2,5 л/(см²c), степень компрессии до 10⁶, КПД мембраны до 90%.

Полезная модель относится к области получения водорода высокой чистоты методом диффузионной очистки и может быть использована для его глубокой откачки из вакуумных коммуникаций с одновременным компримированием на выходе и последующим использованием в системах рециркуляции изотопов водорода.

В области получения водорода высокой чистоты методом диффузионной очистки известно устройство для очистки изотопов водорода с помощью диффузионных палладиевых фильтров/ Диффузионная очистка изотопов водорода палладиевыми фильтрами// «Материаловедение» №5, 2002 г., с.53-56/. Оно содержит силовой корпус с входным и выходным патрубком, в котором герметично установлены тонкостенные капилляры из палладиевого сплава В-1, водородопроницаемость которого максимальна при высоких температурах и давлениях. Капилляры жестко закреплены с одного конца на выходном патрубке, другой конец капилляров герметично запаян. Для диффузионного палладиевого фильтра выбрана схема очистки водорода «снаружи-внутрь» с подачей очищаемого водорода в объем над капиллярами и отводом очищенного водорода из их внутренних каналов. Это устройство может быть использовано для очистки и подачи водорода в приемник посредством диффузии через капилляры при их нагреве.

Известное устройство имеет следующие недостатки. В случае выравнивания давления во входной и выходной емкостях суммарный проникающий поток становится равен нулю и устройство не обеспечивает перекачку с входа на выход. Кроме того, устройство требует длительного времени для откачки входных емкостей до высокого вакуума из-за малой водородопроницаемости палладия при низких давлениях.

Известно устройство для ввода и отбора изотопов водорода/ Устройство для ввода и отбора изотопа водорода сверхвысокой чистоты. Патент Японии по заявке №63-11281, С 01 В 4/00, опубл. 14.03.88/, которое содержит вакуумированную рабочую камеру с выходным патрубком, установленные в ней деталь из материала сорбента для хранения водорода и блок с нагревателем, выполненным в виде проволочной спирали. Деталь из материала для хранения водорода (гидрид металла) расположена коаксиально вокруг нагревателя, при этом равновесное давление водорода над гидридом металла составляет 0,1 мм.рт.ст. при 30°С и1атм при 350°С. Деталь из гидрида металла и нагреватель размещены в оболочке из теплоизоляционного листового материала. 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 их 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.

Известно также устройство для подачи изотопов водорода / Устройство для подачи изотопов водорода в приемник (варианты). Патент РФ №2234973 опубл. Б.И. №24, 27.08.2004, С 01 В 3/50 /. Оно содержит вакуумированную рабочую камеру с входным и выходным патрубком, установленные в ней деталь из гидрида металла и нагреватель. Устройство содержит мембрану с селективной проницаемостью по изотопам водорода, которая герметично разделяет рабочую камеру на два объема, в одном из которых находится деталь из гидрида металла, а другой соединен с выходным патрубком.

Нагреватель установлен между деталью из гидрида металла и мембраной. В данном устройстве под действием тепла от нагревателя происходит десорбция изотопов водорода из гидрида металла. Под действием тепла от этого же нагревателя происходит разогрев мембраны, которая выполнена из материала с селективной проницаемостью к водороду. При разогреве мембрана становится проницаемой для изотопов водорода и в приемник поступает газ (изотопы водорода), очищенный от примесей.

Недостатком устройства является то, что оно не обеспечивает компримирование водорода при одновременном отсутствии откачки в выходной емкости, что приводит при равных давлениях во входной и выходной емкостях к обнулению проникающего потока. Кроме того, устройство также невозможно использовать для откачки входных емкостей до высокого вакуума.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для очистки и откачки изотопов водорода на основе сверхпроницаемой мембраны (Исследование явлений проницаемости и сверхпроницаемости металлов на установке «Прометей».// Материаловедение, №6, 2002, с.45-49). Оно содержит вакуумированную рабочую камеру, разделенную цилиндрическим мембранным элементом, выполненным из материала с селективной проницаемостью по изотопам водорода, на два объема - входной и выходной, и расположенным внутри мембраны нагревателем-атомизатором. Оба объема имеют выходные отверстия, а внутренний объем мембранного элемента сообщен с входным объемом. Мембранный элемент выполнен из ниобия. Нагреватель-атомизатор представляет собой ленты накала из тантала, на поверхности которых при температуре выше 1000К происходит диссоциация молекул водорода на атомы. Площадь поверхности нагревателя составляет приблизительно 20% от площади мембраны. Такое устройство обеспечивает удельную селективную скорость откачки для изотопов водорода от 1.5 до 2.5 л/(см²c) при давлении ниже 10 ^-4 мбар. При

давлении выше 10^-4 мбар вероятность атомизации молекул падает, что ведет к падению скорости откачки изотопов водорода.

Недостатком данного устройства является расположение всех лент нагревателя атомизатора внутри одной цилиндрической мембраны, что в случае прекращения разогрева одной из лент ведет к уменьшению эффективности всего нагревателя-атомизатора, т.е. к уменьшению оптимального отношения площади атомизатора к площади мембраны, и, соответственно, к уменьшению скорости откачки. К тому же неработающая лента атомизатора представляет собой поверхность, на которой происходит рекомбинация атомов обратно в молекулы, что ведет к уменьшению эффективного потока атомов, падающих на поверхность селективной мембраны, т.е. уменьшается производительность установки.

Задачей настоящей полезной модели является повышение производительности устройства при сохранении эффективности очистки и откачки изотопов водорода, а также его габаритов.

При использовании предлагаемого устройства достигается следующий технический результат:

- при приблизительном сохранении габаритных размеров производительность устройства, определяемая суммарной площадью нескольких селективных мембран, увеличивается в т раз за счет уменьшения в т раз диаметра цилиндрической мембраны и увеличения в т² раз их количества, при этом КПД мембраны, определяемый отношением площади отдельной мембраны к общей площади отдельной мембраны и площади ее двух открытых торцов, увеличивается до 90% за счет уменьшения площади торцов.

- при прокачке через устройство очищается и одновременно откачивается большая часть изотопов водорода из исходной газовой смеси, при этом в выходной объем проникают полностью очищенные изотопы водорода;

- скорость откачки изотопов водорода составляет 2,5 л/(см ²с) для протия, 1,8 л/(см²c) для дейтерия и 1,5 л/(см²c) для трития при входном давлении от 10^-7 до 10 ^-1 Па;

- при компримировании изотопов водорода в выходном объеме достигается степень компрессии до 10 ⁶ по отношению к давлению во входном объеме.

Указанные задача и технический результат достигаются тем, что известное устройство для очистки изотопов водорода, содержащее вакуумированную рабочую камеру, расположенный в ней цилиндрический мембранный элемент, выполненный из материала с селективной проницаемостью по изотопам водорода и содержащий установленный внутри него нагреватель, при этом мембранный элемент разделяет рабочую камеру на два объема - входной и выходной, в каждом объеме выполнены выходные отверстия, внутренний объем мембранного элемента сообщен с входным объемом, а мембранный элемент и нагреватель выполнены из металла V группы, согласно предлагаемой полезной модели содержит расположенный в камере блок из параллельно установленных цилиндрических мембранных элементов, внутренние объемы которых сообщены между собой и с входным объемом, а нагреватели установлены внутри каждого мембранного элемента. Напротив торцов мембранных элементов установлены кварцевые экраны.

Заявляемое устройство отличается от прототипа тем, что оно содержит блок из нескольких цилиндрических мембранных элементов, сообщенных между собой и с входным объемом, при этом во внутренней полости каждого цилиндра располагается по одной ленте нагревателя, предназначенного для получения атомизированного газа. Нагреватели представляют собой ленты накала из металла V группы, на поверхности которых при температуре выше 1000К происходит диссоциация молекул газа на атомы. Для каждого мембранного элемента площадь поверхности нагревателя составляет ˜20% от площади мембраны. При разогреве нагревателей до температуры выше 1000К поток атомов от нагревателей падает на входные поверхности мембран и проникает на

выходные стороны вследствие явления сверхводородопроницаемости. Известно, что сверхпроницаемость изотопов водорода не зависит от давления и температуры мембраны. При этом в силу свойств сверхпроницаемой мембраны прошедший сквозь мембрану водород может компримироваться в выходном объеме и подаваться в приемник. Выходное отверстие, выполненное в рабочей камере и сообщенное с внутренними объемами мембранных элементов, предназначено для откачки примесей и остатков газа, поступивших их входного объема в мембранный элемент, но не проникшего сквозь мембрану в выходной объем. При этом, в случае прекращения накала отдельных ленточных нагревателей, раздельное расположение нагревателей по мембранным элементам не приведет к дополнительным потерям на рекомбинации в потоке атомов в других мембранных элементах.

Для сокращения габаритов устройства при сохранении суммарной площади мембран можно уменьшить диаметр цилиндрических мембран, соответственно увеличив их количество. При сохранении габаритов устройства уменьшение диаметра цилиндрических мембран с соответствующим увеличением их количества приведет к увеличению суммарной площади мембран, т.е. увеличению производительности устройства.

На рис.1 представлено устройство для очистки изотопов водорода на основе семи сверхпроницаемых мембран; на рис.2 схематически представлено сечение по плоскости А-А устройства для очистки изотопов водорода на основе семи сверхпроницаемых мембран.

Устройство на рис.1 содержит рабочую камеру 1 с рубашкой охлаждения, в которой установлен мембранный блок из семи цилиндрических мембран 2 с селективной проницаемостью по водороду, разделяющий рабочую камеру на входной и выходной объемы. Внутри цилиндрических мембран 2 установлены ленточные нагреватели 3 в виде спирали, смонтированные на токовводах 4, которые герметично закреплены на верхнем

фланце. Цилиндрические мембраны 2 и нагреватели 3 выполнены из металлов V группы. В корпусе рабочей камеры 1 для напуска газовой смеси во входной объем установлен входной патрубок 5, для откачки остаточного газа из входного объема и объемов мембранных элементов 2 установлен патрубок 6. Для отвода изотопов водорода из выходного объема предусмотрен выходной патрубок 7. Каждая лента нагревателя 3 расположена внутри соответствующей цилиндрической мембраны 2, а торцы цилиндров на небольшом расстоянии экранированы кварцевыми пластинами 8, закрепленными на стержнях токовводов и необходимыми для предотвращения потерь потоков атомов за пределы цилиндров.

Устройство по рис.1 для очистки изотопов водорода на основе сверхпроницаемых мембран работает следующим образом:

При подаче тока на токовводы 4 происходит разогрев ленточных нагревателей 3, выполненных из металлов V группы, например из тантала, на поверхности которых происходит диссоциация молекул газа на атомы. Поток атомов падает на поверхность мембран 2, выполненных из металлов V группы, например из ниобия, в мембранном блоке, через которые селективно проникают на выходную сторону только изотопы водорода. При этом во входном объеме происходит резкое падение давления, вследствие возникновения дополнительной проводимости за счет проявления «прозрачности» мембраны по отношению к атомам изотопов водорода, приводящее к эффекту откачки. Причиной слабого обратного проникновения с выхода на вход и компримирования на выходе десорбировавшихся молекул водорода является низкий коэффициент проницаемости мембраны из металлов V группы по отношению к молекулам изотопов водорода. Отвод компримированного газа проходит через выходной патрубок 7. Остаточный газ, не прошедший через мембрану 2 отводится через выходной патрубок 6. Таким образом осуществляется очистка и откачка поступающей- в устройство газовой смеси изотопов водорода.

1. Устройство для очистки изотопов водорода, содержащее рабочую камеру, расположенный в ней цилиндрический мембранный элемент, выполненный из материала с селективной проницаемостью по изотопам водорода, с нагревателем, установленным внутри него, причем мембранный элемент разделяет рабочую камеру на два объема - входной и выходной, в каждом объеме выполнено выходное отверстие, внутренний объем мембранного элемента сообщен с входным объемом, а мембранный элемент и нагреватель выполнены из металлов V группы, отличающееся тем, что оно содержит расположенный в камере блок из параллельно установленных мембранных элементов, внутренние объемы которых сообщены между собой и с входным объемом, а нагреватели установлены внутри каждого мембранного элемента.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что напротив торцов мембранных элементов установлены кварцевые экраны.