Reactor de membrana para el tratamiento de gases con tritio.

Dispositivo para la recuperación de tritio a partir de mezclas gaseosas contaminadas mediante procesos de intercambio de isótopos,

caracterizada por que comprende un contenedor de forma preferentemente cilíndrica, fabricado con acero u otro metal o vidrio adecuado, conocido como "módulo" (1), que contiene al menos un tubo permeable (T) fabricado de metal o aleación de metal con permeabilidad selectiva al hidrógeno y a sus isótopos, en el que dicho tubo (T) está dispuesto en forma de voladizo con el extremo cerrado libre; proporcionándose otros medios para ejercer una fuerza de tensión axial en el extremo libre del tubo permeable (T) y unos medios para la conexión eléctrica de dicho extremo libre del propio tubo (T) con un borde (FF) de extremo del módulo (1) adyacente al mismo.

Reactor de membrana para el tratamiento de gases con tritio RESUMEN

El dispositivo según la presente invención comprende fundamentalmente un reactor de membrana que utiliza un tubo de aleación de paladio-plata (tubo permeable), que es selectivamente permeable al hidrógeno y a sus isótopos. Dicho dispositivo se ha ideado para implementar un innovador proceso para la recuperación de tritio a partir de materiales (conocidos como residuos domésticos blandos, es decir, guantes, papel, etc.) procedentes de laboratorios y plantas donde se manipulan materiales contaminados por tritio.

En el reactor de membrana descrito en el presente documento tiene lugar un intercambio de isótopos entre una corriente gaseosa tritiada procedente del proceso de detritiación de los "residuos domésticos blandos" y una corriente de hidrógeno de transporte configurado a contracorriente. En la configuración básica, la presente invención prevé la adopción de un tubo de aleación de paladio cerrado en un extremo (según un sistema "de tipo dedo o "de doble tubo") y calentado mediante el efecto Joule del paso de la corriente. Se proporciona específicamente un dispositivo provisto de medios que simultáneamente pueden ejercer un estrés de tensión sobre el tubo permeable y permitir el paso de la corriente eléctrica para el calentamiento óhmico del propio tubo permeable.

La presente invención se comprenderá mejor a partir de la siguiente descripción detallada y con referencia a las figuras anexas, que ilustran, puramente a modo de ejemplo no limitativo, algunas formas de realización preferidas de la misma.

En los dibujos:

Las figuras 1-4 muestran dispositivos según el estado de la técnica conocido;

La figura 5 es una vista transversal longitudinal del reactor de membrana según la presente invención;

La figura 6, que es parecida a la anterior, muestra una variante provista de un paso eléctrico aislado en el borde del extremo;

Las figuras 7 y 8, que son parecidas a las figuras anteriores 5 y 6, respectivamente, contemplan una segunda forma de realización de la presente invención, que prevé unos medios para ajustar la fuerza de tensión que el muelle ejerce sobre el tubo permeable; y

Las figuras 9 y 1 muestran dos dibujos del reactor según la presente invención, respectivamente en caso de que el borde del extremo esté conectado mediante juntas eléctricamente aisladas y en caso de que se utilice un paso eléctrico aislado.

1. ESTADO DE LA TÉCNICA

Para eliminar el tritio de corrientes gaseosas en aplicaciones estudiadas para el ciclo del combustible de los reactores de fusión nuclear [1, 2] se ha propuesto un reactor de membrana (PERMCAT) que utiliza tubos permeables de aleación de paladio-plata, con permeabilidad selectiva a los isótopos de hidrógeno a contracorriente respecto a una corriente gaseosa que contenga tritio y compuestos tritiados (por ejemplo, agua tritiada y metano además de CO, CO2 y sustancias inertes), que se envía a un lecho catalítico situado en la carcasa del propio reactor, tal como se observa en la figura 1, en la que el tritio se señala con la letra Q.

El tubo permeable de aleación de Pd-Ag empleado comprende una pared con un grosor de ,1 mm y se caracteriza por una elevada proporción de longitud/diámetro (diámetro externo de 3,3 mm y longitud de 5 mm). Por lo general, este reactor de membrana, que emplea tubos de aleación de paladio, presenta los inconvenientes relacionados con los ciclos térmicos y los ciclos de hidrogenación/deshidrogenación, que implican el alargamiento/contracción de los propios tubos. Si el módulo del reactor evita o retrasa dichas deformaciones, estas pueden producir estrés mecánico, incluso de tipo cíclico, que rápidamente puede causar un fallo de la membrana con pérdida de selectividad y por tanto de funcionalidad del dispositivo. Para superar dichos inconvenientes, ENEA ha estudiado una configuración concreta de reactor de membrana en la que se emplea un tubo permeable de pared delgada (,5 mm), caracterizado por un flujo de impregnación más elevado de los isótopos de hidrógeno [3], En dicha configuración, el tubo de paladio se encuentra conectado de modo estanco con el módulo del reactor, mediante dos fuelles metálicos que pueden compensar las diversas deformaciones y, además, durante las etapas de la instalación dicho tubo de paladio se fija mediante soldadura al módulo del reactor al aplicar tensión a dichos fuelles metálicos, que se alargan convenientemente con respecto a su posición de reposo mediante un dispositivo de expansión (figura 2). De este modo, en las condiciones de funcionamiento, la membrana tubular se ve sujeta a un estrés de tensión axial compatible con la configuración y las características de los materiales. Sin embargo, el reducido grosor de la pared (,5 mm) puede conllevar la formación de defectos (pequeños orificios o grietas) debido a la abrasión o la corrosión en caso de entrar en contacto con el lecho catalítico.

En otras aplicaciones conocidas, por ejemplo tanto para procesos de detritiación como para reacciones de deshidrogenación, se han estudiado reactores de membrana en los que los tubos permeables están fijados al módulo del reactor únicamente en un extremo; esta configuración se conoce como configuración "de tipo dedo" o "de

doble tubo". De hecho, el tubo permeable está cerrado en uno de sus extremos, y a la vez se Inserta un tubo más pequeño dentro del lumen para la entrada del suministro o recuperación del retenido. Por ejemplo, la figura 3 ilustra el esquema de un módulo de membrana que utiliza un tubo permeable Pd-Ag en una configuración de tipo dedo: el hidrógeno que pasa a través de la membrana se acumula en la carcasa del reactor mediante un gas de transporte, mientras que el retenido (gas no filtrado) se recupera a través de un tubo de acero de diámetro pequeño insertado en el lumen del tubo permeable.

Sin embargo, especialmente en el caso de tubos permeables de gran longitud (es decir, en caso de que se requieran factores de detritiación elevada), esta configuración conocida presenta el inconveniente del contacto y atasco del tubo permeable T con las paredes internas del módulo de membrana 1 como consecuencia de las deformaciones que experimenta el propio tubo T debido a los ciclos térmicos y a los ciclos de hidrogenación. A este respecto, se debe hacer referencia a la figura 4, que ilustra un tubo permeable de aleación de Pd-Ag antes y después de unas pruebas de larga duración con ciclos térmicos y ciclos de hidrogenación.

Por último, recientemente se ha propuesto el calentamiento óhmico de los tubos permeables de aleación de paladio para reducir la potencia necesaria y evitar calentar las corrientes gaseosas procesadas, si no es necesario [4]. Sin embargo, dichos dispositivos requieren unos pasos eléctricos concretos a través de las paredes del módulo del reactor, y sistemas adecuados para la conexión flexible del tubo permeable a los propios pasos eléctricos.

El principal objetivo de la presente invención es superar los problemas mencionados anteriormente mediante un reactor de membrana tal como se describe en la reivindicación 1 más adelante, en la que se prevé un contenedor sustancialmente cilindrico conocido como "módulo" 1, realizado preferentemente de acero pero que también puede estar fabricado con otros metales y otros materiales: por ejemplo, para aplicaciones de laboratorio, a menudo se prefiere el vidrio (p. ej. Pyrex).

2. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA INVENCIÓN

El reactor de membrana objeto de la presente invención comprende al menos un tubo permeable T de aleación de paladio-plata (preferentemente con 23-25 wt°s de Ag) que comprende una pared con un grosor aproximado de entre ,5 mm y ,2 mm. En caso de que los tubos comprendan una pared con un grosor aproximado de ,5 mm, se tratará de tubos de pared delgada que se fabrican enrollando y posteriormente realizando una soldadura por difusión [5]; en caso de que los tubos comprendan una pared con un grosor aproximado de ,2 mm, se tratará de tubos comercialmente disponibles, que se encuentran con un grosor aproximado a partir de los 1 pm.

Debe tenerse en cuenta que las aleaciones utilizadas habitualmente para los tubos permeables son aleaciones de paladio-plata, como por ejemplo PdCu, pero también se están estudiando las aleaciones metálicas con una base de Ni, Nb, V, Ta o Ti. Los grosores de interés práctico para dichas membranas tubulares de metal denso están comprendidos sustancialmente en un rango de entre 5 y 2 pm, tal como se ha mencionado anteriormente.

El tubo permeable T se encuentra alojado en el módulo 1 en una configuración de tipo dedo, en la que los dos flujos de gas dirigidos hacia el lumen y hacia la... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo para la recuperación de tritio a partir de mezclas gaseosas contaminadas mediante procesos de intercambio de isótopos, caracterizada por que comprende un contenedor de forma preferentemente cilindrica, fabricado con acero u otro metal o vidrio adecuado, conocido como "módulo (1), que contiene al menos un tubo permeable (T) fabricado de metal o aleación de metal con permeabilidad selectiva al hidrógeno y a sus isótopos, en el que dicho tubo (T) está dispuesto en forma de voladizo con el extremo cerrado libre; proporcionándose otros medios para ejercer una fuerza de tensión axial en el extremo libre del tubo permeable (T) y unos medios para la conexión eléctrica de dicho extremo libre del propio tubo (T) con un borde (FF) de extremo del módulo (1) adyacente al mismo.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que:

- el módulo (1) está cerrado en ambos extremos mediante bordes sellados;

- el tubo permeable (T) está fabricado con aleación de Pd-Ag y se fija mediante soldadura a un primer borde del módulo;

- el tubo permeable (T) está cerrado en un extremo, y la recuperación del retenido se realiza mediante otro tubo de diámetro pequeño, fabricado con acero u otro material adecuado, colocado en el lumen del propio permeable, en configuración de dedo:

- el extremo cerrado del tubo (T) fabricado con Pd-Ag está conectado a un segundo borde (FF) del módulo (1) mediante un muelle (M) diseñado para ejercer una fuerza de tensión axial y proporcionar el paso de la corriente eléctrica; y

- el segundo borde (FF) se fija al módulo mediante una junta fabricada con material de aislamiento eléctrico y casquillos para los pernos para fijar el borde fabricado con un material de aislamiento eléctrico.

3. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que dichos medios para aplicar una fuerza de tensión axial y para permitir el paso de la corriente están formados por un muelle (M) conectado mediante un paso eléctrico aislado al borde (FF) del segundo extremo, que está provisto de juntas metálicas y no requiere casquillos de material de aislamiento eléctrico.

4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 2 o 3, caracterizado por que comprende además unos medios para ajustar la fuerza de tensión que ejerce el muelle (M) provisto de una varilla de ajuste, diseñada para ser bloqueada mediante sellado por soldadura.

5. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que el tubo permeable (T) comprende un tubo fabricado con aleación metálica de Pd-Ag.

6. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que dichos medios para ejercer una fuerza de tensión axial y para permitir el paso de una corriente están formados por un muelle (M) bimetálico fabricado con lnconel®/plata.

7. Dispositivo según la reivindicación 1, caracerizado por que dichos medios para ejercer una fuerza de tensión y para permitir el paso de una corriente comprenden:

- un muelle (M) que se obtiene a partir de dos alambres de diferentes materiales enrollados en uno solo; o

- dos muelles coaxiales distintos: uno para aplicar la fuerza de tensión, y otro para establecer la conexión eléctrica de baja resistencia.