[發明專利]一種置換色譜氫同位素分離裝置

有效

• 申請號: 201710081691.6
• 申請日: 2017-02-15
• 公開（公告）號: CN106693703B
• 公開（公告）日: 2018-01-02
• 發明（設計）人: 楊莞;羅德禮;鄧立;黃國強;宋江鋒;姚勇;喻彬;胡俊;何康昊;陳華明
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院材料研究所
• 主分類號: B01D59/00
• 分類號: B01D59/00
• 代理公司: 四川力久律師事務所51221
• 代理人: 王蕓,陳明龍

技術領域

本發明涉及核技術領域，特別涉及一種置換色譜氫同位素分離裝置。

背景技術

核聚變反應堆以氘氚為核燃料，因此氕(H)氘(D)氚(T)氫同位素分離是聚變反應堆核燃料循環的核心技術之一，通過同位素分離，不僅可使反應堆運行中大量未燃燒的氘氚氣體得到重新利用，還可實現對聚變反應堆運行過程中氚的環境釋放量的有效控制，還可運用于氚的增殖提取，等離子體排出與處理等。

為滿足聚變反應堆運行對大量氫同位素分離的需求，目前已經發展了一系列的氫同位素分離技術，包括：

低溫精餾法(LHD)，氫同位素混合氣體中存在H₂、HD、HT、D₂、DT和T₂六種分子，該方法利用氫同位素H、D、T的沸點差異，利用經典的蒸餾方法，在16-25K溫度范圍內實現氕氘氚的分離；但是其能耗高，溫度控制精度要求高，技術復雜，系統建設和運行成本高；

低溫色譜氫同位素分離法(GC)，該方法運用分子篩在低溫下對氫同位素混合氣體中不同組分的吸附能力不同；以熱氦氣作為載氣與氫氣形成混合氣體，即將氦氣作為動力源，在低溫通過分子篩分離柱，依次帶出H₂、HD、HT、D₂、DT和T₂六種完全分開的氫同位素分子，即分離時優先釋放H、其次是D、最后是T；但是該方法需要設置儲存氦氣、加熱氦氣的裝置，氕氘氚分離后還需要將每種組分與氦氣分離的裝置，操作流程復雜，設備成本高；

鈀熱置換色譜氫同位素分離法，該方法利用鈀材料在形成氫化物時的同位素效應進行氫同位素分離，即H比D、T更容易與鈀反應生成更穩定的固態鈀氫化物，且溫度越低分離效應越大；利用這種同位素效應，將氕氘混合氣充入色譜柱形成混合吸附段，然后通入純氫作為置換氣體，其中的重同位素T被優先置換并被推向出口端，隨著吸附-置換過程的不斷發展，在色譜柱內逐漸形成純的同位素色譜，最容易被吸附的H在最后端，而D或T則位于最前端，即分離時優先釋放T、其次是D、最后是H，從而實現H與D、T的分離；該方法原理清晰，操作流程簡單，分離效率高，適用于中小規模的氫同位素分離，但是其需要通入H₂作為置換氣體，會產生部分含少量重同位素組分的尾氣；

熱循環吸附法(TCAP)，該方法使用的分離柱包括一根填充了載鈀分離材料的色譜柱和一根回流空柱；分離時，載鈀柱不斷處于半周高溫、半周低溫的冷熱循環中，熱半周溫度約150℃，冷半周溫度小于0℃；分離運行時先向空柱送入一定量氫氣，然后分離柱進入初始循環；經過數百個循環周期后，系統內達到循環穩態，在分離柱內建立起氫同位素的分布；但是該方法高強度冷熱循環會使載鈀分離材料粉化，鈀與載鈀材料間相互作用改變鈀吸氫特性等，分離柱有效壽命短，冷熱反復能耗高。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中所存在的低溫精餾裝置能耗高，溫度控制精度要求高，技術復雜，系統建設和運行成本高；低溫色譜氫同位素分離裝置需要設置儲存氦氣、加熱氦氣的裝置，氕氘氚分離后還需要將每種組分與氦氣分離的裝置，操作流程復雜，設備成本高；鈀熱置換色譜氫同位素分離裝置需要通入H₂作為置換氣體，會產生部分含少量重同位素組分的尾氣；熱循環吸附裝置的高強度冷熱循環會使載鈀分離材料粉化，鈀與載鈀材料間相互作用改變鈀吸氫特性等，分離柱有效壽命短，冷熱反復能耗高的上述不足，提供一種置換色譜氫同位素分離裝置。

為了實現上述發明目的，本發明提供了以下技術方案：

一種置換色譜氫同位素分離裝置，包括機架，還包括：

設于所述機架上的冷卻部件，以及：

至少一個豎向設置的分離柱，每個所述分離柱包括中空管，所述中空管下端管口封閉設置，上端管口連接多通閥門，其內部設有分離材料，所述分離材料用于吸附或者解吸氫氣；

供氣部件，分別連通每個所述多通閥門，用于向所有所述分離柱中通入氫氣；

集氣部件，分別連通每個所述多通閥門，用于分別收集經所有所述分離柱分離后的氕、氘或氚氣體；

升降部件，設于所述機架上，連接所有所述分離柱，用于分別將每個所述分離柱降入至所述冷卻部件內或者從所述冷卻部件中升離出來；

驅動部件，連接并驅動所述升降部件工作。