[發明專利]一種聚變堆排灰氣中的氘氚快速回收裝置及方法

有效

• 申請號: 201610245962.2
• 申請日: 2016-04-20
• 公開（公告）號: CN105923604B
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 熊亮萍;王和義;龔宇;岳磊;侯京偉;陳曉軍;劉云怒;夏修龍;肖成建;張勤英
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院核物理與化學研究所
• 主分類號: C01B4/00
• 分類號: C01B4/00
• 代理公司: 中國工程物理研究院專利中心51210
• 代理人: 翟長明,韓志英

技術領域

本發明屬于聚變反應堆領域，具體涉及一種聚變堆排灰氣中的氘氚快速回收裝置及方法。

背景技術

隨著化石燃料的短缺，以及環境污染等問題的日益嚴重，聚變能源逐漸引起了人們的重視。在聚變能源的發展過程中，氘氚燃料循環是必須解決的工程技術問題，也是實現商業應用的基礎。由于聚變流程中氘氚的反應率很低，大量未反應的氘氚存在于等離子體排灰氣中，從安全、環保及經濟角度出發，必須對排灰氣進行處理，對其中的氘氚燃料進行回收。

排灰氣中的氘氚燃料回收主要是通過等離子體排灰氣處理系統（TEP）完成的，合適的TEP流程必須滿足以下要求：（1）具有足夠快的處理速度，以便減小投氚量；（2）具備足夠高的燃料回收效率，以實現氚“自持”；（3）具備足夠快的脫氕速度，實現氕與氘氚的分離，以滿足投料純度的要求；（4）盡量低的系統氚滯留量，以確保安全，并減少氚的庫存量。

TEP的工藝流程設計取決于等離子體排灰氣的組成。聚變反應堆排灰氣的具體組成及含量與聚變堆的類型、面向等離子體的材料及實驗條件等因素有關，主要包括大量未反應的氘氚和少量的雜質，雜質包括碳氫化合物、水、一氧化碳、氮氣等。其中，需要回收的氘氚燃料大部分為單質態的Q₂（Q₂是由氫元素的三種同位素組成的單質，包括：H₂、HD、HT、D₂、DT、T₂），小部分為化合態（如氚代甲烷、氚水等）。

目前，國際上相對較為完整的TEP流程是德國TLK（Tritiumlabor Karlsruhe）實驗室發展的CAPER工藝。工藝流程主要包括鈀膜分離、催化反應-膜分離和催化交換膜反應三個單元。在鈀膜分離單元，絕大部分單質態氫同位素透過鈀膜被分離回收，鈀膜分離器的尾氣則進入催化反應-膜分離單元，尾氣中含有較多的Q₂O、CQ₄、He等雜質氣體。在催化反應-膜分離單元，通過甲烷裂解、水汽重整等催化反應將化合態的氫同位素轉化為單質態，并透過鈀膜分離回收，部分尾氣則進入催化交換膜反應單元，該尾氣中還含有少量的Q₂O、CQ₄以及He、CO、CO₂等雜質氣體。催化反應-膜分離單元的尾氣再進入催化交換膜反應單元，Q₂O、CQ₄與大量H₂發生氫同位素交換反應，化合態的氘氚被置換出來（轉化為單質態），并透過鈀膜分離回收。經過這三個處理單元，尾氣中氘氚含量極低，根據需要，尾氣可進入廢氣除氚單元進一步處理。

CAPER流程經過TLK實驗室幾十年的發展，其可行性已基本得到驗證。然而，該流程中，回收化合態氘氚的單元（即催化反應-膜分離單元和催化交換膜反應單元）用時較長，且耗費較高。同時，近年來聚變反應堆的設計者們改進了面向等離子體的材料，選用的材料中不含碳元素，使排灰氣中雜質氣體（包括化合態氘氚）的含量大大降低，這也使得CAPER流程在處理速度及系統氚滯留量等方面顯示出不足。而且，如果排灰氣中雜質含量較高，直接進入Pd合金膜分離器中，會對Pd合金膜分離器的使用壽命及系統穩定性造成較為明顯的不利影響。

發明內容

本發明要解決的一個技術問題是提供一種聚變堆排灰氣中的氘氚快速回收裝置，本發明要解決的另一個技術問題是提供一種聚變堆排灰氣中的氘氚快速回收方法。

本發明的聚變堆排灰氣中的氘氚快速回收裝置，其特點是，包括低溫泵、Pd合金膜分離單元、色譜柱、Pd合金膜反應單元，聚變反應室生成的排灰氣通過低溫泵，分成A路、B路，A路進入Pd合金膜分離單元后分成A1路、A2路、A3路；A1路與氚儲存系統相連；A2路通過色譜柱后分別與氚儲存系統、氫同位素分離系統相連；A3路通過Pd合金膜反應單元進入廢氣除氚系統或氫同位素分離系統；B路通過Pd合金膜反應單元進入廢氣除氚系統或氫同位素分離系統。

所述的低溫泵由低溫分子篩柱和氦制冷低溫泵組合而成，低溫分子篩柱作為前級泵，工作溫度為77K，抽出除He和Q₂以外的雜質氣體，氦制冷低溫泵工作溫度為4K，抽出He和Q₂。

所述的Pd合金膜分離單元由兩個或兩個以上的Pd合金膜分離器串聯組成，所述的Pd合金為Pd+Ag、Pd+Y、Pd+Ag+Au、Pd+Ag+Au+Y或Pd+Ag+Au+Ni合金中的一種。