Development of a Hydrogen-Selective Vacuum Pump on the Basis of Superpermeation = Entwicklung einer auf Superpermeation basierenden, wasserstoffselektiven Vakuumpumpe

In zukünftigen Fusionskraftwerken wird für den Einsatz des „Direct Internal Recycling“ Konzepts (DIR) die Abtrennung von Wasserstoff aus Gasmischungen bei niedrigem Druck in einem Verfahrensschritt benötigt. Nach dem derzeitigen Stand der Technik ist dies bisher nicht möglich. Der Effekt der Superpermeation ist in der Lage die Anforderungen für diesen Prozess zu erfüllen. Darauf basierend wird in der vorliegenden Arbeit eine Prozesseinheit, die Metallfolienpumpe (MFP), entwickelt.
Um die Bedeutung der dargelegten Entwicklung aufzuzeigen, werden zunächst die Vorteile des DIR herausgearbeitet. ... mehrEs ist derzeit keine andere Technologie bekannt, die eine solch bedeutende Verbesserung des Brennstoffkreislaufs von zukünftigen Fusionsreaktoren ermöglicht. Die charakteristische Funktionsweise der MFP wird ausgehend von den grundlegenden physikalischen Abläufen erklärt. Die beeinflussenden Materialeigenschaften werden dabei beschrieben und die relevanten Literaturdaten dargestellt. Basierend auf den erläuterten Vorgängen wird ein dimensionsloses Modell abgeleitet, das die dominierenden Prozesse in der Metallfolie, dem Kernelement der MFP, beschreibt. Aus diesem Modell werden die Limitierungen für die möglichen Folienmaterialien abgeleitet. Mit Hilfe der dargestellten Materialeigenschaften wird die dimensionslose Beschreibung in quantifizierte Aussagen für einzelne Materialien umgewandelt. Auf diese Weise wird gezeigt, dass sich die Metalle Niob und Vanadium am besten für Metallfolienpumpen in Fusionskraftwerken eignen. Die Bildung von Wasserstoffbläschen wird als wichtige Materiallimitierung aufgezeigt und begründet.
Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei experimentelle Einrichtungen genutzt. Dabei wird eine im Rahmen dieser Arbeiten entworfen, gebaut, in Betrieb genommen und eingesetzt. Die Superpermeation wird erfolgreich mit mehreren Metallfolienmaterialien und Energiequellen für Wasserstoff demonstriert. Diese Energiequellen sind neben der Metallfolie das zweite bedeutende Element einer MFP. Ihr Einsatz ist stark vom gewünschten Saugdruck der Pumpe abhängig. Mehrere Vorhersagen des dimensionslosen Modells werden experimentell nachgewiesen. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wird ein klarer Entwicklungspfad aufgezeigt. Dabei werden die offenen Forschungsfragen und ihr Einfluss diskutiert.

Currently, the separation of hydrogen from other gases at low pressures cannot be performed within a single step. A new technology with this capability is needed for the demonstration of Direct Internal Recycling (DIR) for future fusion power plants. The superpermeation effect is able to meet the requirements for this process. A new process unit, the metal foil pump (MFP), is developed on the basis of superpermeation in this work.
In order to demonstrate the importance of the presented development, the advantages of the DIR are quantified at the beginning of this study. ... mehrNo other technology currently offers such a tremendous improvement of the fuel cycle of future fusion reactors. Superpermeability is explained based on the basic physical processes. The relevant material properties are described and corresponding literature data is presented. Based on the explained processes, a dimensionless model that describes the dominant processes in the metal foil, the core element of the MFP, is derived. From this model, the limitations of the possible foil materials are deducted. With the help of the previously given material properties, the dimensionless description is transferred into quantified statements for individual materials. In this way, it is demonstrated that the metals niobium and vanadium are best suited for metal foil pumps in future fusion power plants. The possibility of hydrogen blister formation is discussed and justified as an important material limitation.
Two experimental facilities are used for this work, one of which has been designed, built, commissioned and used within the scope of this work. Superpermeation is successfully demonstrated with several metal foil materials and energy sources for hydrogen. These energy sources are the second important element of an MFP, in addition to the metal foil, and their use is highly dependent on the operation pressure of the unit. Several predictions of the non-dimensional model are experimentally proven. Based on the experimental results, a clear development path is shown. Finally, the open research questions and their influence are discussed.