[發明專利]一種置換色譜氫同位素富集分離方法

有效

• 申請號: 201710081992.9
• 申請日: 2017-02-15
• 公開（公告）號: CN106693704B
• 公開（公告）日: 2019-06-04
• 發明（設計）人: 楊莞;羅德禮;宋江鋒;鄧立;胡俊;馮興文;黃國強;殷雪峰;丁海成;徐遠翔
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院材料研究所
• 主分類號: B01D59/28
• 分類號: B01D59/28;G01N30/72
• 代理公司: 四川力久律師事務所 51221
• 代理人: 王蕓;陳明龍

本發明公開了一種置換色譜氫同位素富集分離的方法，包括以下步驟：（1）降溫：將分子篩柱制作成螺旋狀盤管，在一容器中盛裝液氮，分子篩柱全部浸入到液氮中，讓分子篩溫度保持在液氮溫度；（2）吸附：向分子篩柱中通入氫氣，計量通入分子篩的氫氣量，當分子篩內的氣壓達到一定的壓力以后，停止通入氫氣；（3）升溫分離：將螺旋狀的分子篩柱向上提拉，使分子篩柱脫離液氮液面，利用空氣對分子篩柱進行加熱；控制分子篩柱提出液氮液面的速度為0.5?5cm/min；（4）檢測和收集：對于分子篩柱排出的氫氣，在后端使用氫氧復合器將氫氣氧化為液態水，然后使用磁質譜檢測其中的氘豐度。本發明的置換色譜氚富集分離方法，控制的降溫與升溫過程中的變化具有連續性，分離氫同位素的效率極高，分離效果好。

技術領域

本發明屬于分離純化工藝領域，涉及一種同位素分離方法，特別涉及一種氫同位素分離方法。

背景技術

超導托卡馬克的核聚變反應堆被認為是最具實際應用潛力的核聚變反應堆，可以實現極低的輻射污染的綠色核能技術，全世界的各個國家都投入了大量的人力物力進行應用研究。作為核聚變反應堆燃料的氫同位素——氘和氚在研究應用中的需求量極大，而且一旦熱核聚變反應堆正式投入生產應用，現有的氘和氚的產量將會成為限制熱核反應堆應用的關鍵因素。

氫同位素氘和氚一般都是均勻的分散在天然含氫原材料中，普通的氫氣中也含有微量的氚。而普通的氫氣以其特有的高純度特點，可以直接分離得到聚變反應所需要的氘和氚，已有部分研究表明通過液閃分離方法可以獲得較高純度的氘和氚，但是具體的分離方法還沒有確切的可工業化實行的方案。

富集分離技術中又以低溫精餾氫同位素分離方法的效率最高，不僅具有處理量大、設備緊湊分離因子較大的優點，而且分離過程中產生的成本較低，應用潛力大。現有的富集分離技術中，主要是包括應用反應器、電磁加熱器等部件，反應過程中的需要對分離部件進行加熱與再生，其中應用的加熱部分與反應器之間的配合關系主要是全面直接加熱。

直接加熱過程中對于系統的升溫速度較快，但加熱的時候是全面的全部件加熱，導致分離時對于系統的氫同位素的分離速率缺少連續性可控效果。分離過程中，對于各項分離狀態參數的調整精度較低，僅僅從大的理論上分析了低溫精餾分離過程中的分離效果，沒有對于低溫精餾分離的時候的全面精確研究，對于以后的實際推廣應用中的效率提升研究幫助有限，或者說，無法更好的發揮低溫精餾分離氫同位素的分離效率。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中缺少可行的高效氫同位素分離技術，提供一種置換色譜氫同位素富集分離方法。本發明的方法可以高效快速的從天然純氫氣中分離得到氫的同位素——氘和氚，具有實施簡單方便高效的特點，能夠有效地改善氘氚分離富集困難的問題，為熱核聚變反應堆提供充足的反應燃料。

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富集分離的方法，包括以下步驟：

(1)降溫：將分子篩柱制作成螺旋狀盤管，在一容器中盛裝液氮，分子篩柱全部浸入到液氮中，讓分子篩溫度保持在液氮溫度；

(2)吸附：向分子篩柱中通入氫氣，計量通入分子篩的氫氣量，當分子篩內的氣壓達到一定的壓力以后，停止通入氫氣。其中，氣壓優選控制為一個大氣壓，對于設備的要求更低，更易實施，且分離效果較好。所述氫氣含有天然豐度的氘/氚。

(3)升溫分離：將螺旋狀的分子篩柱向上提拉，使分子篩柱脫離液氮液面，利用空氣對分子篩柱進行加熱。最好是緩慢的提拉分子篩柱，使分子篩柱的溫度緩慢升高。在提拉的過程中，螺旋狀的分子篩柱借助空氣加熱實現熱分離，特別是可以實現分段加熱，使得分子篩柱的溫度分段逐漸升高。控制分子篩柱提出液氮液面的速度為0.5-5cm/min，優選提拉速度為1-2.5cm/min，緩慢的完成分子篩柱的加熱過程。