A Temperature Swing Absorption Process for Hydrogen Isotope Separation in the Fusion Fuel Cycle

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. ... mehr25 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.

The fuel cycle of a fusion power plant is a complex network of various process units, which continuously condition and supply the fuel. This consists of the heavy hydrogen isotopes deuterium and tritium. Characteristic for fusion fuel cycle is the high recycling ratio of unburnt fuel, since only around 0.5 to 1 % of the feed stream reacts. While providing sufficient deuterium is not challenging, tritium is a radioactive element with limited civilian availability of around 25 to 30 kg, which therefore has to be created artificially during operation. For this reason, and due to nuclear regulations, the tritium inventory in the fuel cycle must be kept as low as possible, which is the main design driver and technology selection criteria for the process units.
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This work contributes to the process development of the Isotope Rebalancing and Protium Removal (IRPR) system. The fuel cycle of the European fusion demonstration power plant (EU-DEMO) foresees this process unit to re-establish an equimolar deuterium-to-tritium-ratio, which allows for the most efficient energy production from the D-T fusion reaction. Additionally, the IRPR system counteracts the protium built-up within the recycled fuel stream. The proportion of protium (${}^{1}_{1}\mathrm{H}$ isotope) in the fuel cycle is critical, as concentrations of more than 1 % lead to plasma instabilities. Protium inevitable enters the fuel cycle due to outgassing processes of the reactor steel surface and its interaction with neutrons. The IRPR system is fed with a mixed hydrogen isotope stream, which is separated into two product streams of contrary isotope composition. The product stream enriched in the heavy isotopes tritium and deuterium is routed to the reactor. The second product stream contains most of the supplied protium and is released to the environment after recovering residual tritium species in subsequent process units.

A promising technology to realize this separation task is a semi-continuous coupled inverse and normal metal hydride reaction temperature cycling absorption (CMH-TSA) process. CMH-TSA exploits the temperature- and isotope-dependent formation of metal hydrides. The state-of-the-art Thermal Cycling Absorption Process (TCAP) uses a palladium-filled absorption column which temperature-initiated repeatedly exchanges a hydrogen isotope mixture with an inert plug flow reverser column. However, due to its high tritium inventory and low system throughput, this process does not fulfil the requirements for the EU-DEMO IRPR system. The process optimization presented in this thesis extends the reference process by a second active separation column. This column is filled with a metallic absorption material, which has an opposite isotope effect on its hydride formation compared to palladium. The interaction between both active separation columns enables reduced energy consumption through optimised process temperatures, reduces the tritium inventory, and increases the system throughput and value product concentration in the product streams.

First, experimental hydrogen absorption studies were performed to investigate the isotope effect and sorption characteristics of alloys during their hydride formation. These allowed for the identification of a suitable TiMn alloy to be paired with palladium in the CMH-TSA process. Next, protium-deuterium separation experiments were performed in a laboratory set-up, to investigate the separation efficiency of a single column, as well as the optimization through combined column operation. Beside, variations in the process operation were explored. In addition, the process design was supported by developing a rigorous, transient, one-dimensional CMH-TSA process model. The required model parameters were derived from the experimental data and extrapolated for tritium-containing species. The material characterisation tests and the separation experiments served to validate the model.

Using the validated CMH-TSA model, the absorption columns for the EU-DEMO IRPR system were sized and an optimized process operation exploiting continuous gas exchange was identified. Furthermore, product extraction at low temperatures was demonstrated, which maximises the separation factor, and is enabled by the combination of two active absorption columns. The process scale-up is realized by parallelisation of the proposed column pair design. The results indicate that the developed CMH-TSA process significantly reduces the tritium inventory, thus demonstrating the suitability of CMH-TSA technology for performing the separation task of the IRPR system.