Введение
1 Обзор литературы 10
1.1 Система выделения трития для термоядерного реактора 10
1.1.1 Тритий и топливный цикл термоядерного реактора 10
1.1.2 Внутренний топливный цикл 12
1.1.3 Внешний топливный цикл 14
1.1.3.1 Выработка трития в бланкете 14
1.1.3.2 Система выделения трития 15
1.1.3.3 Система очистки охладителя 16
1.1.3.4 Система учета трития 17
1.1.4 ИТЭР И ДЕМО 17
1.2 Концепции для системы выделения трития 19
1.2.1 Требования к выделению трития в бланкете ИТЭР 19
1.2.2 Концепция на основе криогенных технологий 20
1.2.3 Концепция на основе технологий, работающих при комнатной температуре 21
1.2.4 ПЕРМКАТ и мембранное газоразделение на стадии предварительного концентрирования 23
1.2.5 Работа ПЕРМКАТ в процессах для бланкета 25
1.3 Мембраны для процессов выделения трития 27
1.3.1 Основные определения мембранного разделения. 27
1.3.2 Металлические мембраны 29
1.3.3 Полимерные мембраны 32
1.3.4 Неорганические протон-проводящие мембраны 33
1.3.5 Цеолитные мембраны 35
1.3.5.1 Структура и свойства цеолитных мембран 36
1.3.5.2 Транспорт газов в цеолитных мембранах 37
1.3.6 Цеолитные мембраны для выделения водорода и паров воды из газовых смесей 46
1.3.6.1 Цеолитные мембраны MFI 46
1.3.6.2 Мембраны NaA 60
1.3.6.3 SOD мембраны 63
1.3.7 Сравнение мембран, предложенных для процессов выделения водорода и его изотопов 65
2 Экспериментальная часть 68
2.1 Объекты исследования 68
2.1.1 Цеолитные и неорганические мембраны 68
2.1.1.1 Капиллярная мембрана MFI 68
2.1.2 Трубчатая мембрана MFI 71
2.1.3 Трубчатая мембрана NaA 72
2.1.4 Трубчатая мембрана S-SOD 72
2.1.5 Трубчатая углеродная мембрана 72
2.1.6 Газы и газовые смеси 73
2.2 Экспериментальное оборудование и методика измерения 74
2.2.1 Установка для измерения проницаемости индивидуальных газов 74
2.2.2 Методика измерения проницаемости чистых газов в установке ZIMT I 75
2.2.3 Установка для измерения проницаемости бинарных смесей 76
2.2.4 Методика измерения проницаемости бинарных смесей в установке ZIMT II 77
2.2.5 Калибровка масс-спектрометра 78
2.2.6 Установка для бинарных и тройных смесей 79
2.2.7 Методика измерения проницаемости в установке ZIMT III 83
3 Результаты и обсуждение 86
3.1.1 Экспериментальное изучение проницаемости чистых газов водорода и гелия в цеолитных мембранах 86
3.1.1.1 Капиллярная мембрана MFI 86
3.1.1.2 Трубчатая MFI мембрана 89
3.1.1.3 Сравнение MFI мембран 91
3.1.1.4 Мембрана NaA 95
3.1.1.5 Мембрана S-SOD. 97
3.1.1.6 Углеродная мембрана 98
3.1.1.7 Заключение об экспериментальном исследовании проницаемости чистых газов в цеолитных мембранах 100
3.1.2 Экспериментальное изучение разделения бинарных смесей H2/He цеолитными мембранами 101
3.1.2.1 Капиллярная мембрана MFI 101
3.1.2.2 Трубчатая мембрана MFI 103
3.1.2.3 Заключение об экспериментах с бинарнымиf H2/He смесями 105
3.1.3 Экспериментальное изучение разделения бинарных смесей H2О/He цеолитными мембранами 106
3.1.3.1 Трубчатая мембрана MFI на подложке из оксида алюминия 106
3.1.3.2 Трубчатая мембрана MFI на подложке из оксида титана 109
3.1.3.3 Трубчатая мембрана NaA. 112
3.1.3.4 Сравнение цеолитных мембран 115
3.1.3.5 Заключение об экспериментах с бинарными H2O /He смесями 117
4 Расчет многоступенчатого процесса мембранного разделения 119
4.1 Математическая модель мембранного каскада 120
4.2 Расчет мембранного каскада 124
4.3 Технический расчет мембранного каскада 127
4.3.1 Требования к выделению трития в стадии предварительной концентрации цеолитными мембранами для ДЕМО 127
4.3.2 Расчет мембранного каскада для ДЕМО на основе полученных экспериментальных данных 128
4.3.3 Параметрическое исследование мембранного каскада на основе капиллярной мембраны MFI для разделения смеси Н2/He 128
4.3.4 Параметрическое исследование мембранного каскада на основе трубчатой мембраны MFI на подложке из оксида титана для разделения смесей Н2/He 133
4.3.5 Параметрическое исследование мембранного каскада на основе трубчатой мембраны MFI на подложке из оксида алюминия для разделения смесей Н2О/He 135
4.4 Технико-экономический расчет мембранного каскада 137
4.4.1 Капитальные затраты 137
4.4.2 Эксплуатационные затраты 139
4.4.3 Технико-экономический расчет каскада на основе половоконных мембран MFI 141
4.4.4 Технико-экономический расчет каскада на основе трубчатых мембран MFI 143
4.4.4.1 Разделение смеси Н2/He 143
4.4.4.2 Разделение смеси Н2O/He. 144
4.4.4.3 Сравнение каскадов на основе цеолитных мембран для разделения смесей Н2/He и Н2O/He 145
5 Выводы 147
6 Список литературы 149
7 Список условных обозначений 157
8 Приложение 161
8.1 Проницаемость водорода в палладиевых мембранах 161
8.2 Ввод установки в эксплуатацию 161
8.3 Расчет погрешностей эксперимента 163
8.3.1 Погрешность эксперимента при прямом измерении 164
8.3.2 Погрешность эксперимента при косвенном измерении 164
8.4 Расчет концентрационной поляризации в тестах с бинарной смесью H2/He в трубчатой мембране MFI 166
8.5 Свойства половолоконной мембраны MFI для разделения тройной смеси H2O/H2/He 167
8.6 Степень извлечения H2O различными цеолитными мембранами 168
8.7 Степень обогащения H2O в различных цеолитных мембранах 171
