УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСЫЩЕНИЯ ОБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ ИЗОТОПАМИ ВОДОРОДА

Область техники
Полезная модель относится к вакуумной технике, области хранения и выделения изотопов водорода и может быть использована в составе газовых установок высокого и низкого давления для исследования взаимодействия газов (в т.ч. радиоактивных) с материалами (металлами и их сплавами).
3
В случае насыщения образцов материалов тритием (тритировании) длительной выдержки и последующей детритизации данное устройство может быть использовано для наработки гелия-3 (Не).
Уровень техники
Вопрос взаимодействия изотопов водорода с материалами остается актуальным. Это связано с бурным развитием водородной и термоядерной энергетики.
Процесс насыщения металлов и их сплавов изотопами водорода широко известен и описан в научно-технической литературе. Как правило, детально рассматривается сам процесс насыщения без раскрытия конструктивных элементов установок, на которых этот процесс осуществляется.
В настоящее время в данной области опубликован ряд научных работ (А.А. Юхимчук. «Актуальные задачи тематики «взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами». Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез, 2009, вып. 3, с. 49-55) и монографий (Методы исследования систем металл - водород: учебное пособие / Ю.П. Черданцев, И.П. Чернов, Ю.И. Тюрин. – Томск, Изд. ТПУ, 2008. - 286 с.).
Известен способ изготовления деталей из гидрида металла путем насыщения металлических заготовок изотопами водорода (патент РФ №2174943). Способ заключается в нагревании металлических заготовок в вакууме, насыщении их изотопом водорода до концентрации, соответствующей области раствора изотопа водорода в гидридной фазе. Способ позволяет получать детали из гидрида металла, содержащие смесь изотопов водорода с экономией дорогого изотопа водорода, однако схема установки, на которой это было произведено, отсутствует.
Известен способ хранения и выделения изотопов водорода и устройство для его осуществления (патент РФ №2556110).
Устройство содержит герметичный корпус, выполненный из электроизолирующего материала, способного выдерживать температуру протекания реакций сорбции и десорбции. Внутри него расположен брикет из гидридообразующего металла или гидрида металла, а также установлен фильтрующий элемент, дополнительно заключенные в металлический чехол. Чехол и корпус образуют герметичную полость. В чехол также установлен дополнительный фильтрующий элемент, через который сообщаются полость и внутренний объем чехла. Корпус оснащен магистралью для подачи газа, сообщающейся с внутренним объемом чехла через основной фильтрующий элемент, и магистралью для вывода газа, сообщающейся с внутренним объемом чехла через полость и основной фильтрующий элемент. Магистрали для подачи и вывода газа можно использовать также для подачи и вывода газа в противоположном направлении. Снаружи корпуса установлен индукционный нагреватель.
Одним из этапов получения изотопов водорода в этом способе является предварительная сорбция газа гидридообразующим металлом, расположенным в герметичном корпусе. Протекание реакции сорбции регулируют с помощью нагрева, который осуществляют индукционным нагревателем, расположенным с внешней стороны герметичного корпуса.
Задачей изобретения являлось увеличение быстродействия при управлении процессами сорбции и десорбции изотопов водорода при одновременном уменьшении диффузионных потерь изотопов водорода и увеличении безопасности при работах с тритием.
Указанное техническое решение не направлено на решение задачи, поставленной авторами полезной модели.
Для облучения большого числа образцов с целью дальнейшего изучения их структуры необходимо осуществлять как быстрый нагрев образцов, так и обеспечивать быстрый доступ к ячейке высокого давления и оперативно осуществлять замену образцов, для этого устройство должно быть быстроразъемным, что достигается за счет размещения всех газовых и электрических вводов на съемной крышке внешнего герметичного корпуса. При этом должна быть обеспечена безопасность работы с изотопами водорода, в т.ч. и с радиоактивными.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом полезной модели является создание автономного быстроразъемного устройства.
Для достижения этого результата предложено устройство для насыщения образцов материалов изотопами водорода, состоящее из герметичного корпуса с крышкой, внутри которого размещена ячейка высокого давления с образцом, снаружи которой расположен нагреватель, соединенный с кабельным вводом, установленным на крышке снаружи устройства, при этом внутренняя полость ячейки соединена с клапаном высокого давления и манометром высокого давления, расположенными снаружи на крышке устройства, а внутренняя полость корпуса соединена трубопроводом низкого давления с клапаном низкого давления и через манометр низкого давления со вторым клапаном низкого давления.
Совокупность признаков, приведенных в формуле полезной модели, позволяет создать автономное быстроразъемное устройство, которое можно подсоединять к разным системам газонапуска и контрольно-измерительной аппаратуре, выводы которых размещены на съемной крышке устройства, а сам образец оперативно извлекать из устройства.
При этом изготовление корпуса ячейки высокого давления из электроизолирующего материала, приводящего к снижению проницаемости изотопов водорода через него, позволяет приблизить к нулю диффузионные потери изотопов водорода, а расположение нагревательного элемента вокруг ячейки высокого давления приводит к сокращению времени проведения технологических операций, связанных с нагревом гидридообразующего металла или гидрида. Безопасность процесса насыщения достигается за счет размещения ячейки высокого давления с нагревателем во внешнем корпусе, при этом контроль параметров (давления, температуры) ведется как внутри ячейки с образцом, так и внутри корпуса, при этом средства контроля параметров смонтированы на крышке корпуса.
Краткое описание чертежей
На чертеже схематично представлено устройство для насыщения образцов материалов изотопами водорода.
Устройство состоит из ячейки высокого давления 1, в которую помещается образец материала 12, клапана высокого давления 5, нагревателя 2, который подключается к кабельному вводу 3. Ячейка высокого давления 1 помещена в герметичный корпус 11, закрывающийся съемной крышкой 10. К крышке 10 герметично присоединены: кабельный ввод 3, манометр высокого давления 4, клапан высокого давления 5, трубопровод низкого давления 9. Трубопровод низкого давления 9 снабжен манометром низкого давления 7 и двумя клапанами низкого давления 6 и 8.
Ячейка высокого давления 1 выполнена из нержавеющей стали. В ней осуществляется физико-химический процесс насыщения образцов материала изотопами водорода в процессе длительной выдержки образцов в газовой атмосфере при определенных параметрах давления и температуры.
Нагреватель 2 предназначен для нагрева и поддержания в ячейке 1 необходимой температуры, которая контролируется хромель-алюмелиевой термопарой.
Герметичный корпус 11 выполнен из нержавеющей стали в быстроразъемном исполнении, что достигается за счет размещения всех газовых и электрических вводов на крышке корпуса.
Клапан высокого давления 5 позволяет контролировать давление внутри ячейки 1 в процессе откачки воздуха из нее и создание в ней вакуума, а также позволяет сохранять высокое давление газа в ячейке в течение длительного времени.
Манометр высокого давления 4 позволяет постоянно фиксировать значение давления в ячейке 1 в ходе насыщения материала изотопами водорода.
Через клапан низкого давления 6 по трубопроводу низкого давления 9 в корпус 11 подается инертный газ, например аргон, давление которого контролируется манометром 7.
Отбор газовой смеси из внутреннего объема корпуса для анализа осуществляется через второй клапан низкого давления 8.
Осуществление полезной модели
Устройство для насыщения образцов материалов изотопами водорода работает следующим образом.
Образец материала 12 помещается в ячейку высокого давления 1. Устройство присоединяется к трубопроводу любой системы напуска изотопов водорода с помощью клапана высокого давления 5. Давление в ячейке высокого давления 1 непрерывно контролируется манометром высокого давления 4. Трубопровод низкого давления 9 присоединяется к линии напуска аргона с помощью клапана низкого давления 6 и к газоанализатору (не показан) с помощью клапана низкого давления 8.
Насыщение материала 12 происходит следующим образом.
Через клапан низкого давления 6 происходит впуск аргона в корпус 11, давление которого непрерывно контролируется манометром низкого давления 7. Далее во внутреннюю полость предварительно вакуумированной ячейки высокого давления 1 через клапан высокого давления 5 подается газ изотопа водорода (водород, дейтерий, тритий), после чего клапан высокого давления 5 закрывается. Ячейка высокого давления 1 с находящимся в ней образцом материала 12 нагревается с помощью нагревателя 2. Выдержка при фиксированных значениях давления и температуры происходит необходимое время, после чего нагрев выключается, ячейка высокого давления 1 остывает до комнатной температуры, газ удаляется через вентиль высокого давления 5.
Материал насыщается за счет сорбции изотопов водорода из газовой фазы.
В ходе эксперимента через стенки ячейки высокого давления неизбежно происходят утечки изотопов водорода в объем герметичного корпуса 11. Для контроля содержания изотопов водорода периодически происходит отбор газовой атмосферы по линии низкого давления через клапан низкого давления 8.
В качестве тестового эксперимента было проведено насыщение образцов вольфрама в газовой атмосфере дейтерия при давлении 24 атмосферы, температуре 410°С, в течение 10 часов. В ходе эксперимента изменение температуры происходило в пределах 10°С, давление в ячейке высокого давления снизилось не более чем на 5%.
Практическое применение устройства для насыщения образца вольфрама и его последующий анализ показали, что были достигнуты концентрации дейтерия в материале, соответствующие табличным данным для данных условий насыщения в пределах экспериментальной погрешности.
Таким образом, предложенное устройство для насыщения образцов материалов изотопами водорода позволяет получать гидрид металлы и их сплавы, насыщенные изотопами водорода, с целью их дальнейшего исследования. При этом достигается безопасность режима насыщения, в т.ч. при использовании газообразных радиоактивных изотопов водорода.
Достоинством данного устройства является его быстроразъемность, достигаемая за счет размещения всех газовых и электрических вводов на крышке герметичного корпуса, что позволяет осуществлять быстрый доступ к ячейке высокого давления и оперативно осуществлять замену образца, также устройство позволяет подсоединять его к разным системам газонапуска и контрольно-измерительной аппаратуре.