КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ВОДОРОДА И ЕГО ИЗОТОПОВ
CONTAINER FOR HYDROGEN AND ISOTOPES THEREOF

Изобретение относится к средствам для очистки, хранения и подачи газов преимущественно водорода и его изотопов, а также гелия, аргона и других газов. Изобретение может быть использовано в ядерной и термоядерной технологии, в лазерной технике, в микроэлектронике, системах очистки гелиевого теплоносителя высокотемпературных газовых реакторов, а также в автомобильном транспорте.
Развитие многих современных технологий выдвигает проблему создания совершенных технических средств очистки, хранения, транспортировки и дозирования различных газов, например, водорода и его изотопов, гелия, аргона и других. К такому оборудованию в ряде случаев предъявляются весьма жесткие требования по надежности, взрыво-пожаро-безопасности, ядерной безопасности, кинетическим характеристикам поглощения и выделения газа и другим параметрам.
Известен контейнер для хранения и дозированной подачи водорода и его изотопов, который выполнен в виде горизонтально расположенной цилиндрической вакуумированной емкости, герметизированной по торцам фланцевыми соединениями [Tritium, Report Kernforschungszentrum Karlsruhe, №5055, July 1992]. Внутри емкости на двух трубопроводах, смонтированных на одном из наружных фланцев, размещена образованная концентричными цилиндрическими обечайками герметичная камера. Наружная обечайка с одного торца соединена с помощью кольцевой заглушки с внутренней обечайкой, а с другого торца герметизирована заглушкой дисковой формы. Внутренняя обечайка также заглушена с другого торца дисковой заглушкой, размещенной с некоторым зазором с дисковой заглушкой наружной обечайки. Соединенные, как описано выше, обечайки и заглушки формируют герметичную камеру U-образной формы. Камера разделена на несколько зон радиально ориентированными пластинами, которые приварены к внутренней обечайке. К каждой зоне подведен трубчатый фильтр с порошком сорбента в виде образующего гидриды материала. Со стороны одного из фланцевых соединений в полость, образованную внутренней обечайкой, введен электрический нагреватель. Сорбент для поглощения водорода изготовлен из образующего гидрид материала, который в виде порошка размещен вокруг трубчатых фильтров по зонам рабочей камеры. Камеры сформированы в зазоре между наружной и внутренней обечайками никелевыми пластинками. Контейнер работает следующим образом. Подлежащий сорбции газ поступает в предварительно вакуумированную камеру контейнера, образованную внутренней обечайкой, через входной патрубок и затем через трубчатые фильтры в отсеки, заполненные образующим гидрид материалом, где происходит поглощение изотопов водорода. Отвод выделяющегося при поглощении изотопов водорода тепла осуществляется потоком охлаждающего газа (азота), подаваемого в центральную часть контейнера. По завершении сорбции изотопов водорода примеси, если они присутствовали в исходном газе, могут быть удалены через выходной патрубок.
Описанный контейнер имеет следующие недостатки: неравномерное распределение слоя образующего гидрид материала по объему отсека; неэффективная передача тепла к слою материала, образующего гидрид; отсутствие тепловой защиты фланцевого уплотнения камеры; отсутствие возможности изменения числа рабочих отсеков при существенном изменении объема перерабатываемого газа; невысокая скорость поглощения и выделения газа.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является контейнер для водорода и его изотопов и картридж для его снаряжения [патент РФ №2221290, МПК 7 G21F 5/00]. Контейнер выполнен в виде вакуумированного цилиндрического корпуса с фланцами, внутри которого выполнена герметичная камера U-образной формы с размещенным в ней сорбентом для газов. Камера сообщена с патрубками подачи и отвода газа и имеет систему защиты от поступления газов в окружающую среду за счет того, что камера сформирована тремя цилиндрическими концентрично размещенными обечайками. Наружная обечайка соединена одним торцом с нижним фланцем, другой торец наружной обечайки соединен с помощью кольцевой заглушки с торцом внутренней обечайки, которая заглушена на противоположном торце дисковой заглушкой. Средняя обечайка закреплена на верхнем фланце и размещена в зазоре между наружной и внутренней обечайками и делит камеру на две зоны. На средней обечайке выполнены продольные пазы с перфорацией, в которых установлены картриджи с сорбентом для газов. Во внешней полости корпуса размещен нагреватель. Контейнер работает следующим образом. Сорбируемый газ поступает через патрубок подачи газа в предварительно вакуумированную полость контейнера, через перфорацию в средней обечайке и проницаемый чехол поступает внутрь картриджа, где поглощается слоем сорбента, который образует с водородом гидрид материала в виде твердого соединения, стабильного при температурах от 20 до 200°С. После завершения сорбции газа (например, водорода или его изотопов) газообразные примеси удаляются через патрубок отвода газа. Для десорбции ранее поглощенного газа производится нагрев картриджа нагревателем, размещенным во внешней полости. Передача тепла от нагревателя к картриджу осуществляется через стенку, теплопроводный материал, внутреннюю обечайку и среднюю обечайку. При нагреве порошка картриджа до температур 280-325°С, образованный ранее при более низких температурах гидрид разлагается с выделением газа, который выводится из контейнера через патрубок отвода газа.
К недостаткам этого контейнера относятся: невысокая емкость и стабильность свойств гидридообразующего материала в виде порошка мелкодисперсных пожароопасных «пылящих» фракций; сложность размещения в контейнере необходимого количества картриджей с мелкодисперсным порошком гидридообразующего материала; перегрев верхнего и нижнего фланцев в режиме сорбции водорода; неравномерность распределения температуры кассеты с картриджами в осевом направлении.
Изобретение направлено на достижение технического результата - повышения равномерности распределения температуры кассеты с картриджами в осевом направлении при проведении процессов сорбции и десорбции водорода. Достижение этого технического результата позволяет решить техническую задачу - существенно (примерно в 6 раз) повысить удельную емкость контейнера по поглощению и хранению водорода при сохранении характеристик стабильности и безопасности при длительной эксплуатации контейнера, т.е. при проведении многократных процессов сорбции и десорбции водорода.
Поставленная задача решается в заявляемом контейнере для водорода и его изотопов (включающем водоохлаждаемый герметичный корпус, выполненный в виде обечайки цилиндрической формы с фланцем, размещенной внутри корпуса второй обечайки цилиндрической формы с фланцем, обе обечайки герметично установлены на водоохлаждаемом общем фланце и формируют охранную зону контейнера в зазоре между обечайками и рабочую зону контейнера внутри второй обечайки, размещенную в рабочей зоне кассету с картриджами, содержащими сорбент для водорода в виде гидридообразующего материала, размещенный внутри кассеты нагреватель, сообщенные с рабочей зоной патрубки подачи и отвода газа, размещенную в зазоре между обечайками систему защиты от проникновения газа в окружающую среду), картриджи содержат сорбент в виде гранул сферической формы размером 0,4-0,6 мм с плотностью засыпки 72-75% от объема картриджа, гранулы выполнены из интерметаллического соединения, образующего с водородом гидриды, стабильные при температурах от 20 до 150°С и разлагающиеся с выделением газа при температурах от 200 до 550°С, например, из сплава Zr и Со с содержанием кобальта до 50 ат.%, причем сорбент размещен в кассете, которая выполнена в виде металлического цилиндра, снабженного на наружной поверхности в направлении осевой плоскости глубокими пазами для размещения картриджей, причем ширина паза задана от 3 до 8 диаметров гранул сорбента, а торцевые части кассеты выполнены в виде радиаторов.
В частном варианте выполнения контейнера нагреватель выполнен трубчатой формы и конструктивно совмещен с системой экстренного охлаждения кассеты, которая выполнена в виде трубчатого теплообменника.
В другом частном варианте выполнения контейнера гранулы сорбента получают методом центробежного распыления расплава сплава Zr и Со в атмосфере инертного газа.
В другом частном варианте выполнения контейнера все элементы кассеты выполнены из материала с хорошей теплопроводностью и низкой проницаемостью для водорода, например из бронзы.
В другом частном варианте выполнения контейнера на общем фланце установлена третья обечайка цилиндрической формы, формирующая вторую охранную зону с торца контейнера.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 приведен продольный разрез контейнера.
На фиг.2 приведен поперечный разрез контейнера.
На фиг.3 приведена схема поперечного сечения картриджа.
Корпус контейнера (см. фиг.1) сформирован наружной водоохлаждаемой обечайкой 1 и обечайкой 2, которые соединены между собой с помощью водоохлаждаемых фланцев 3 и 4. Внутри обечайки 1 с зазором размещена обечайка 5, которая герметично установлена на фланце 3. Внутри обечайки 5 размещена полая кассета 6, которая герметично установлена на фланце 3. В полости кассеты 6 размещен нагреватель 7. Цилиндрические обечайки 1, 2 и 5, фланцевое соединение 3 и 4, картридж 16 и крышка 8 формируют охранные зоны 9 и 10, а также рабочую зону 11. В рабочую зону 11 подведены патрубок 28 для подвода и отвода водорода и патрубок 13 для отвода примесных газов. В охранную зону 9 подведен патрубок 14 для подключения к системе вакуумирования. Водоохлаждаемые фланцы 3 и 4 соединены между собой с помощью уплотнения из меди (не показано).
Кассета 6 (см. фиг.2-3) выполнена в виде цилиндра 6 с продольными пазами 15 на наружной поверхности в направлении осевой плоскости цилиндра. В пазах 15 размещены картриджи 16 с гранулами 17. Толщина паза 15 задана в пределах от 3 до 8 диаметров гранул 17 сорбента.
Картридж 16 выполнен в виде проницаемого для газа чехла, который заполнен гранулами 17 сорбента сферической формы. Чехол картриджа 16 выполнен из металлической сетки или металловолокнистых материалов. В одном из вариантов конструкции контейнера пазы 15 и картридж 16 выполнены толщиной 2 мм, шириной 12 мм и высотой 250 мм.
Картриджи 16 удерживаются в пазах 15 кассеты 6 с помощью крупноячеистой сетки 18 размещенной на цилиндрической поверхности кассеты 6. Патрубок подачи 28 и отвода 13 газа сообщены с рабочей зоной 11 с помощью трубок. Торцевые части кассеты 6 выполнены в виде радиаторов 19 для выравнивания температуры кассеты 6 по ее длине при проведении процессов сорбции и десорбции водорода.
Защитная зона 10 - объем, ограниченный обечайкой 2, крышкой 8 и фланцем 4, служит для защиты от попадания изотопов водорода в окружающую среду при нарушении герметичности в местах подсоединения коммуникаций и при нарушении герметичности кассеты 5. Кроме того, обечайка 2 предохраняет от неконтролируемого контакта с токоведущими частями контейнера и коммутационных проводок.
Защитная зона 9 - объем, размещен между обечайкой корпуса 1 и обечайкой 5, служит для предотвращения попадания газа в случае разгерметизации рабочего объема. Кроме того, охранный объем 9, который находится под разрежением, выполняет роль тепловой изоляции, необходимой для поддержания нужной температуры при десорбции изотопов водорода из гранул 17 сорбента. Элементы, формирующие рабочую зону 11 контейнера кассеты, а также объемы охранных зон 9 и 10 (обечайки, фланцы, уплотнительные элементы и др.), выполнены из материала с низкой проницаемостью для водорода, например из бронзы БРАЖ 9-4.
Нагреватель 7 конструктивно совмещен с системой экстренного охлаждения кассеты 6, которая выполнена в виде трубчатого теплообменника 20. Нагреватель 7 и теплообменник 20 размещены в охранной зоне 10 и смонтированы на крышке 8. Патрубок 21 подачи и патрубок 22 отвода охлаждающего агента выведены за пределы корпуса контейнера. Патрубки 23 и 24 предназначены для ввода, а патрубки 25 и 26 для вывода охлаждающей воды.
Рабочая зона 11 контейнера, в котором размещены картриджи 16, изолирована от окружающей среды двойным контуром защиты. Первый контур сформирован обечайкой 5, фланцем 3 и кассетой 6, а второй - обечайкой корпуса 1, обечайкой 2, фланцем 3 и крышкой 8.
Размеры гранул 17 сорбента составляют от 0,40 до 0,60 мм. В качестве материала для изготовления сорбента используют интерметаллическое соединение, образующее с газом стабильное твердое соединение при температурах от 20 до 150°С и разлагающегося с выделением газа при температурах от 200 до 550°С. Примером такого соединения является сплав, содержащий цирконий (Zr) и кобальт (Со) при концентрации кобальта до 50 ат.%, в частности, сплав Zr - 60,75 мас.% и Со - 39,25 мас.%.
Конструкция контейнера предусматривает независимый демонтаж и замену вышедшего из строя нагревателя. Для контроля температуры в различных зонах контейнера предусмотрены термопары.
Контейнер работает следующим образом. Рабочая зона 11 и охранная зона 9 вакуумируются с помощью патрубков 28 и 27, подключенных к вакуумному насосу. Сорбируемый газ, например водород и его изотопы, поступает в рабочую камеру 11 через патрубок 28. Водород, проходя через сетку 18, проницаемый чехол 16 картриджа поглощается гранулами 17 сорбента, изготовленного из образующего гидрид материала. При этом образуется твердое соединение - гидрид, стабильное при температурах от 20 до 150°С. По завершении сорбции газа, например, водорода или его изотопов, газообразные примеси (если они имелись в исходном газе) удаляются через выходной патрубок 13.
Для десорбции ранее поглощенного газа производится нагрев картриджей 16, расположенных в пазах 15 кассеты 6, нагревателем 7, размещенным в полости кассеты 6. Передача тепла от нагревателя 7 к картриджам 16 и гранулам 17 сорбента осуществляется через теплопроводный материал кассеты 6. При нагреве гранул 17 до температур от 200 до 550°С, образованный ранее при температуре 20°С гидрид разлагается с выделением водорода, который выводится из контейнера через патрубок 13.
Экспериментально установлены оптимальные характеристики геометрических размеров пазов 15, картриджа 16 и гранул 17 сорбента, которые позволяют при выполнении торцевых зон кассеты 6 в виде радиаторов 19 обеспечить равномерное распределение температур при проведении процессов гидрирования и дегидрирования по длине кассеты 6, длине картриджей 16 с гранулами 17. Эти параметры указаны выше при описании сущности изобретения. Выравнивание температур в объеме рабочей зоне контейнера по длине кассеты с картриджами позволяет решить техническую задачу - существенно (примерно, в 6 раз) повысить удельную емкость контейнера по поглощению и хранению водорода при сохранении характеристик стабильности и безопасности при длительной эксплуатации контейнера, т.е. при проведении многократных процессов сорбции и десорбции водорода.
Таким образом, заявляемый контейнер для водорода и его изотопов позволяет существенно увеличить емкость по изотопам водорода без заметного увеличения геометрических размеров за счет оригинальной конструкции кассеты и размещения в ней картриджей с сорбентом. Кроме того, с помощью изобретения обеспечена большая плотность засыпки по объему чехла картриджа, обеспечено более равномерное распределение температуры за счет использования кассеты с торцами в виде радиаторов и использования материала с хорошей теплопроводностью.
С учетом вышеизложенного контейнер может найти применение при очистке, хранении и подачи газа, преимущественно водорода и его изотопов. Изобретение может быть использовано в ядерной и термоядерной технике, в автомобильном транспорте, а также в ряде других областей науки и техники.