A Temperature Swing Absorption Process for Hydrogen Isotope Separation in the Fusion Fuel Cycle
Year: 2026
Type: book
Abstract: Der Brennstoffkreislauf eines Fusionskraftwerks besteht aus einer komplexen Verschaltung vieler Prozesseinheiten, welche die kontinuierliche Aufbereitung und Bereitstellung des Brennstoffs realisieren sollen. Hierbei handelt es sich um die schweren Wasserstoffisotope Deuterium um Tritium. Charakteristisch für den Fusionsbrennstoffkreislauf ist das enorme Rezyklierungsverhältnis von unverbrauchten Edukten, da nur etwa 0.5 bis 1 % des eingespeisten Feedstroms reagiert. Während die Bereitstellung von Deuterium keine Herausforderung darstellt, handelt es sich bei Tritium um ein radioaktives Element mit beschränkter ziviler Verfügbarkeit von ca. 25 bis 30 kg, welches im Betrieb erbrütet werden muss. Das Tritiuminventar im Brennstoffkreislauf ist daher, sowie aufgrund kerntechnischer Regulierung, so gering wie möglich zu halten, was die Technologieauswahl und Auslegung der Prozesseinheiten maßgeblich bestimmt. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Prozessentwicklung für das Isotope Rebalancing and Protium Removal (IRPR) System vorangetrieben. Diese Prozesseinheit dient im Brennstoffkreislauf des europäischen Fusionsdemonstrationskraftwerk EU-DEMO zur Bereitstellung eines äquimolaren Deuterium-Tritium-Gemisches, welches die effizienteste Energiegewinnung aus der D-T Fusionsreaktion ermöglicht. Darüber hinaus wird der Anreicherung von Protium (${}^{1}_{1}\mathrm{H}$ Wasserstoffisotop) im rezyklierten Brennstoffstrom entgegengewirkt. Der Protium Anteil im Brennstoffkreislauf ist kritisch, da dieser ab einer Konzentration von mehr als 1 % zu Plasmainstabilitäten führt. Die unvermeidbaren Protiumquellen sind Ausgasprozesse der Stahloberfläche des Reaktors und deren Interaktion mit Neutronen. Das IRPR System wird mit einem gemischten Wasserstoffisotopenstrom gespeist. Dieser wird in zwei Produktströme getrennt, wobei einer mit schweren Isotopen Tritium und Deuterium angereichert ist und zum Reaktor zurückgeführt wird. Der zweite Produktstrom enthält den Großteil des zugeführten Protiums und wird nach der Rückgewinnung von Tritium Restspuren in folgenden Prozesseinheiten in die Umwelt abgegeben. Eine vielversprechende Technologie zur Realisierung der beschriebenen Trennaufgabe ist ein semikontinuierliches coupled inverse and normal metal hydride reaction Temperaturwechselabsorptionsverfahren (CMH-TSA). Dabei wird die temperatur- und isotopenabhängige Hydridbildung von Metallen und Metalllegierungen ausgenutzt. Das bisherige Referenzverfahren Thermal Cycling Absorption Process basiert auf der Verwendung einer mit Palladium befüllten Absorptionskolonne, welche wiederholt temperaturinitiiert ein Wasserstoffisotopengemisch mit einer inerten Schüttgutkolonne austauscht. Aufgrund des hohen Tritiuminventars und der geringen Prozessdurchsätze, erfüllt dieses Verfahren jedoch nicht die Anforderungen an das EU-DEMO IRPR System. Die in dieser Arbeit vorgestellte Prozessoptimierung erweitert den Aufbau um eine zweite aktive Trennkolonne. Diese ist mit einem metallischen Absorptionsmaterial befüllt, welches im Vergleich zu Palladium einen entgegengesetzten Isotopeneffekt bei der Hydridbildung aufweist. Die Interaktion der beiden aktiven Trennkolonnen ermöglicht einen reduzierten Energieverbrauch durch optimierte Prozesstemperaturen, verringert das Tritiuminventar und erhöht den Systemdurchsatz sowie die Wertproduktkonzentration in den Produktströmen. Zunächst wurden dafür mit Hilfe von experimentellen Wasserstoffabsorptionsstudien Legierungen hinsichtlich ihres Isotopeneffektes und ihrer Sorptionscharakteristiken bei der Hydridbildung untersucht. Diese ermöglichten die Identifizierung einer geeigneten TiMn Legierung als Partnermaterial zur bestehenden Palladium-Füllung. Im nächsten Schritt wurden Protium-Deuterium-Trennversuche im Labormaßstab durchgeführt. Diese dienten, neben der Untersuchung verschiedener Prozessführungen, zur Charakterisierung der Trenneffizienz der Einzelkolonnen, sowie deren Optimierung durch den komibinierten Betrieb. Die Prozessentwicklung wurde darüber hinaus unterstützt durch ein entwickeltes, eindimensionales, transientes und rigoroses CMH-TSA Prozessmodell. Die erforderlichen Modellparameter wurden auf Basis der experimentellen Daten implementiert und für tritiumhaltige Spezies extrapoliert. Sowohl die Versuche zur Materialcharakterisierung, als auch die Separationsexperimente dienten zur Modellvalidierung. Mit Hilfe des validierten CMH-TSA Modells wurden die Absorptionskolonnen für das EU-DEMO IRPR System dimensioniert und eine optimierte Prozessführung unter kontinuierlichem Gasaustausch hergeleitet. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Verwendung einer zweiten Trennkolonne die Produktentnahme bei tiefen Temperaturen ermöglicht, wodurch der Trennfaktor maximiert wird. Ein Scale-up des Prozesses erfolgt durch Parallelisierung der vorgeschlagenen Kolonnengeometrie. Die gezeigten Ergebnisse legen nahe, dass durch den CMH-TSA Prozess das Tritiuminventar signifikant reduziert wird und die Technologie für die Trennaufgabe des IRPR Systems geeignet ist.
Source: KITopen
Author: Uihlein, Annika
Language: English
Subfield: Materials Chemistry
Field: Materials Science
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7222919412