JPH05802A - 水素同位体の分離方法 - Google Patents

水素同位体の分離方法

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JPH05802A
JPH05802A JP3020912A JP2091291A JPH05802A JP H05802 A JPH05802 A JP H05802A JP 3020912 A JP3020912 A JP 3020912A JP 2091291 A JP2091291 A JP 2091291A JP H05802 A JPH05802 A JP H05802A
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tritium
isotopes
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Tetsuyuki Konishi
哲之 小西
Takumi Hayashi
巧 林
Yuji Naruse
雄二 成瀬
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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【構成】 水と水素の同位体交換反応を利用する水素同
位体分離方法であって、重同位体の濃縮される水から軽
同位体の濃縮される水素へ酸素を電気化学的に移動する
ことを特徴とする。 【効果】 大きく節約された電力での、あるいはこれを
必要とすることなく、かえって利得を生じるプロセスと
して水素同位体の分離が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は水素同位体の分離方法
に関するものである。さらに詳しくは、この発明は、核
融合炉におけるトリチウムの分離、濃縮、除去、重水炉
における重水のアップグレーディングやトリチウムの濃
縮、除去、核燃料再処理におけるトリチウムの分離、除
去、その他一般の試験、研究に使用したトリチウムの分
離、回収および除去、さらには、重水製造などトリチウ
ム以外の水素同位体の分離にも有用な、水素同位体の分
離方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】水と水素の同位体交換反応を
利用する水素同位体の分離方法は、平衡状態での分離係
数が大きく、向流型の反応塔を構成できるため極めて高
い分離性能を単一の装置で達成することができ、しかも
水と水素と言う化学的に扱いの容易な物質しか使用しな
いという長所を有している。この方法は、重水の製造
や、トリチウムの酸化物を含む水(以下、トリチウム水
と称する)からのトリチウムの除去、回収などに有望な
プロセスであるが、重同位体(たとえば軽水素に対する
重水素、トリチウム)が濃縮される水を再び水素に還元
する工程が不可欠であり、このために用いられる電気分
解のための電力消費が大きな問題となる。
【0003】従来の向流型の同位体交換反応塔と電解槽
を組み合わせたトリチウム水の分離方法は、たとえば図
1に示すことができる。この図1に例示したように、原
料トリチウム水は、交換反応塔(1)に原料水入口
(2)より供給され、反応塔中で濃縮されて濃縮水出口
(3)より電解槽(8)に送られる。この電解槽(8)
で、トリチウム水はトリチウムを高濃度で含む水素と酸
素に分解され、水素は一部が製品として取り出され、一
部が交換反応塔に水素入口(4)より供給される。酸素
は、そのままではトリチウム水蒸気を含むため、水分離
器(10)を通してトリチウム水を除いた後、酸素供給
ラインより水素再結合器(7)に送られる。水素は交換
反応塔(1)でトリチウムを水に移し、水素出口(5)
より水素再結合器(7)に送られ、そこで酸化される。
生成した水は、一部が減損水、あるいは浄化された水と
して廃棄され、一部が減損水入口(6)より再び交換反
応塔に供給される。
【0004】たとえばこのような従来法においては、同
位体分離に必要な水素と水の流れを維持するために、水
素の酸化と水の分解を連続的に行わなければならず、特
に水の分解に大量の電力を必要とする欠点があり、その
実用化を妨げる最大の要因となっている。この発明は、
このように水と水素の同位体交換反応を利用する従来の
水素同位体の分離方法において不可避であった欠点を解
消し、重同位体が濃縮される水を再び水素に還元する工
程での電力消費を節約し、水の分解に電力を必要とさえ
しない方法を提供することを目的としている。
【0005】
【問題点を解決するための手段】この発明は、上記の課
題を解決するものとして、水と水素の同位体交換反応を
利用する水素同位体分離方法であって、重同位体の濃縮
される水から軽同位体の濃縮される水素への酸素の移動
を電気化学的に行う装置により水の分解に必要とされる
エネルギーを節約し、水から水素、水素から水への変換
を同時に行うことを特徴とする水素同位体の分離方法を
提供する。
【0006】また、この発明は、軽同位体の濃縮される
水素を燃料電池発電に利用し、発生する電力を以て重同
位体の濃縮される水を分解する、あるいは、軽同位体の
濃縮される水素の酸化により製造する還元剤を以て重同
位体の濃縮される水を還元することにより、水と水素の
同位体交換反応を利用する水素同位体の分離方法におい
て、水の分解工程にほとんど電力を消費しないか、ある
いは場合によっては利得さえ生成しうるプロセスを構成
する。
【0007】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明について説明する。
【0008】
【実施例】この発明による水と水素の同位体交換反応を
利用する水素同位体の分離方法を、トリチウム水からの
トリチウムの抽出を例にとって図2、図3および図4に
よって説明する。図2は、重同位体の濃縮される水から
軽同位体の濃縮される水素への酸素の移動により水から
水素、水素から水への変換を同時に行う装置を水−水素
同位体交換反応塔と組み合わせた水素同位体分離方法を
例示している。水−水素変換器に酸素イオン電導性固体
電解質セルを用いてトリチウム水を濃縮する場合を例示
している。すなわち、原料トリチウム水は、水−水素同
位体交換反応塔(11)に原料水入口(12)より供給
され、反応塔中で濃縮されて濃縮水出口(13)より水
−水素変換器(17)に送られる。ここで生成した水素
は一部が製品として取り出され、一部が交換反応塔に水
素入口(14)より戻される。また、水素は交換反応塔
(11)でトリチウムを水に移し、水素出口(15)よ
り水−水素変換器(17)に送られ、減損水となって廃
棄または減損水入口(16)より再び交換反応塔(1
1)に供給される。以上の過程で、トリチウム水中の水
素同位体は連続的に分離される。水−水素変換器(1
7)は、酸素イオン電導性固体電解質隔膜(18)の片
側に重同位体の濃縮された水、他方に軽同位体の濃縮さ
れた水素を供給するものである。酸素を透過する性質を
持つ隔膜の一方に水、他方に水素を接すると、酸素ポテ
ンシャルの差により、水から水素への酸素の移動が起こ
る。これにより水から水素、水素から水への変換が同時
に行われ、しかも水素同位体は隔膜により隔離されてい
るため互いに混合することはない。この移動はある程度
自発的に起こるため特に電力を供給する必要はないが、
酸素の移動が不十分な場合は、隔膜の両側に電圧を供給
して強制的に酸素を水素側へ移動せしめることができ、
それに要する電力は電気分解に要するよりはるかに少な
い。すなわち、本法により、同位体交換反応と固体電解
質セルの組み合わせで、ほとんど電力を消費しないで、
水素同位体を分離することができる。
【0009】上記の例は、電気分解と再結合反応を一つ
の装置で行う方法であるが、これを別々の装置で行うこ
とも可能である。これに対して、図3は、再結合反応を
燃料電池発電に利用し、それによる発生電力を以て水を
電気分解するプロセスを示している。図中、同位体交換
反応塔(11)の部分は図2と同じであるが、軽同位体
の濃縮された水素は水素出口(15)より酸水素燃料電
池(19)に、重同位体の濃縮された水は濃縮水出口
(13)より電解槽(20)にそれぞれ送られる。この
電解槽(20)に酸素イオン電導性固体電解質セルを利
用した場合、発生する酸素はきわめて純粋であるため、
それを燃料電池(19)に供給しても、水や水素をトリ
チウムで汚染する恐れは少ない。燃料電池での水素の酸
化は自発的に進行し、電力が取り出される。電解槽(2
0)はこの電力で運転される。電解槽(20)に供給さ
れる水と、燃料電池(19)に供給される水素の量はほ
とんど同じであるため、電気的な損失を無視した場合、
電気分解に必要な電力は、ほとんど燃料電池の発電量で
賄うことができる。さらに、電解槽を約900 度の高温で
運転した場合水の分解に必要な電圧が約0.9 Vなのに対
し、室温で運転する酸水素燃料電池の起電力は約1.2 V
なので、これらの運転温度を適切に設定することにより
電力の面で利得を得ることも理論的には可能である。
【0010】また、この発明による水素の酸化工程から
水の還元工程へのエネルギーの移動を、適当な酸化還元
剤を媒介して行う方法を例示したものが図4である。水
性ガス平衡(H2 O+CO=H2 +CO2)を例にとっ
て説明すると、同位体交換反応塔(11)からの軽同位
体の濃縮された水素は水素出口(15)より水素酸化反
応器(21)に、重同位体の濃縮された水は濃縮水出口
(13)より水還元反応器(22)にそれぞれ送られ
る。水性ガス平衡(H2 O+CO=H2 +CO2 )反応
は可逆な平衡反応なので、水還元反応器(22)に水と
一酸化炭素を供給した場合は水素と二酸化炭素が、水素
酸化反応器(21)に水素と二酸化炭素を供給したとき
には水と一酸化炭素が、それぞれ平衡に達するまで生成
する。これらの反応器から二酸化炭素、一酸化炭素を分
離、循環することによって、ほとんどエネルギーを消費
することなしに水素の酸化と水の還元を行い、水−水素
同位体交換反応塔に水と水素を供給することができる。
この方法の実施に際しては、反応器(21)と(22)
に図2に示した酸素イオン電導性固体電解質セルを用い
ることによって一酸化炭素及び二酸化炭素を水、水素か
ら分離する工程を省略することができる。
【0011】もちろん、この発明の方法においては、そ
の構成の細部について様々な態様が可能であることはい
うまでもない。
【0012】
【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、水の分解工程にほとんど電力を消費しないか、あ
るいは場合によっては利得され生成しうるプロセスとし
て、水素同位体の分離が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来法による向流型の同位体交換反応塔と電解
槽を組み合わせたトリチウム水の分離方法を示したプロ
セス構成図である。
【図2】この発明による水素同位体の分離法で、水から
水素への酸素の移動を行う装置を用いたプロセス構成図
である。
【図3】再結合器として燃料電池を使用するこの発明の
実施例を示したプロセス構成図である。
【図4】水の還元と水素の酸化のために酸化還元剤を媒
介するこの発明の実施例を示したプロセス構成図であ
る。
【符号の説明】
1 水−水素交換反応塔 2 原料水入口 3 濃縮水出口 4 水素入口 5 水素出口 6 減損水入口 7 水素再結合器 8 電解槽 9 回収水入口 10 水分離器 11 水−水素交換反応塔 12 原料水入口 13 濃縮水出口 14 水素入口 15 水素出口 16 減損水入口 17 水−水素変換器 18 電解質隔膜 19 酸水素燃料電池 20 電解槽 21 水素酸化反応器 22 水還元反応器 23 酸化剤循環ライン 24 還元剤循環ライン

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水と水素の同位体交換反応を利用する水
    素同位体分離方法であって、重同位体の濃縮される水か
    ら軽同位体の濃縮される水素へ酸素を電気化学的に移動
    することを特徴とする水素同位体の分離方法。
  2. 【請求項2】 水と水素の同位体交換反応を利用する水
    素同位体分離方法であって、軽同位体の濃縮される水素
    を燃料電池発電に利用し、発生する電力を以て重同位体
    の濃縮される水を分解することを特徴とする水素同位体
    の分離方法。
  3. 【請求項3】 水と水素の同位体交換反応を利用する水
    素同位体分離方法であって、軽同位体の濃縮される水素
    の酸化により製造する還元剤を以て重同位体の濃縮され
    る水を還元することを特徴とする水素同位体の分離方
    法。
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WO2024071106A1 (ja) * 2022-09-26 2024-04-04 京都フュージョニアリング株式会社 水素同位体移送装置及び水素同位体移送方法

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