Effective tritium extraction from PbLi flows is a requirement for the functioning of any PbLi based breeding blanket concept. For a continuous plant operation, the removal of the tritium dissolved in the PbLi has to be performed in line and sufficiently fast. Otherwise, tritium inventories in the liquid metal, start-up inventories and buffer inventories would be excessive from the safety point of view. Moreover, a slow response of the tritium extraction systems could also compromise the tritium self-sufficiency of the plant. A promising solution to this problem is to use highly permeable membranes in contact with the PbLi flow to promote the extraction via permeation. This technique is usually known as Permeation Against Vacuum (PAV). As an alternative, tritium could be extracted directly by permeation through a fluid free surface (FS) in contact with vacuum. In both configurations, the dynamics of tritium transport is ruled by a combination of convection, diffusion and surface recombination. In this paper, the tritium extraction processes in the FS and PAV configurations are studied in detail. For the first time, general analytical expressions for the extraction efficiency are derived for both techniques in a Cartesian geometry. These expressions are general in the sense that they do not impose any kind of assumption concerning the permeation regime of the membrane or the fluid boundary layer. The derived expressions have been used to analyze numerically the response of both configurations in a close loop system, such as the one of DEMO. The presented methodology allows comparing the FS and PAV configurations, assessing in which conditions one will be behave better than other.
PbLi流からの効果的なトリチウム抽出は、あらゆるPbLiベースの増殖ブランケット概念の機能にとって必要条件である。連続的なプラント運転のためには、PbLiに溶解したトリチウムの除去をインラインで十分に速く実行しなければならない。そうでなければ、液体金属中のトリチウムインベントリ、起動時インベントリ、およびバッファインベントリは、安全性の観点から過大になるであろう。さらに、トリチウム抽出システムの応答が遅いと、プラントのトリチウム自給自足性も損なわれる可能性がある。この問題に対する有望な解決策は、PbLi流に接触する高透過性膜を使用して、透過による抽出を促進することである。この技術は通常、Permeation Against Vacuum (PAV)として知られている。代替として、トリチウムは、真空に接する流体自由表面(FS)を通した透過によって直接抽出され得る。両構成において、トリチウム輸送の動力学は、対流、拡散、および表面再結合の組み合わせによって支配される。本論文では、FSおよびPAV構成におけるトリチウム抽出プロセスを詳細に調査する。初めて、抽出効率に関する一般的な解析式が、デカルト座標系において両技術について導出される。これらの式は、膜の透過状態または流体境界層に関するいかなる種類の仮定も課さないという意味で一般的である。導出された式は、DEMOのような閉ループシステムにおける両構成の応答を数値的に解析するために使用された。提示された方法論により、FS構成とPAV構成を比較し、どのような条件で一方が他方よりも優れた挙動を示すかを評価することができる。