专利名称：一种从水中去除氚的方法
一种从水中去除氚的方法
本申请是申请日为2006年9月14日、申请号为200610127233. 3、发明名称为“一种从水中去除氚的方法”的中国专利申请的分案申请。技术领域
本发明一般涉及从水中回收氚同位素的领域，更具体地涉及通过将水中的氚转化成元素氢流、然后通过膜扩散分离并富集氚、最后通过热扩散富集氚以从水中除去氚的方法。
背景技术：
加拿大、法国以及最近在韩国已经建造了一些大型装置，用于从核反应堆的重水调节系统中提取氚。Kalyanam and Sood, "Fusion Technology” 1988，pp525_5^ 中提供了这些类型系统的工艺特征的对比。已经设计出用于聚变应用的类似但较小的轻水氚回 ^iMMt ( H. Yoshida, et al, "Fusion Eng. and Design" 1998, pp825-882 ；Busigin, et al, "Fusion Technology，，，1995pp 1312-1316 ；A. Busigin and S. K. Sood, "Fusion Technology"1995pp 544-549)。当前所有大型系统都使用前端工艺来将水中的氚转化成元素氢，随后通过低温蒸馏级联将全部或大部分氢同位素分离。
已经设计和建造了用于铀同位素分离的大型膜(气体)扩散系统。气体扩散技术的详细描述由 M. Benedict，Τ. Pigford and H. Levi, “Nuclear Chemical Engineering”， McGraw Hill (1981)提供。气体扩散从来没有用于大规模氢同位素分离。
如 G. Vasaru, et al, "The Thermal Diffusion Column，，，VEB Deutscher der ffissenschaften, Berlin, 1968中叙述，自从二十世纪五十年代以来，热扩散塔已经应用于小规模的氢同位素分离。由于不能成比例的扩大生产，这项技术的应用受到了限制。
当前所有用于水去氚化的大型工艺都是基于通过下列方法将水中的氚转化为元素氢(a)催化交换反应，例如DTO + D2 二 D2O + DT ■ (b)直接电解水，即DTO — DT+l/202 ；9或(c)通过适当的反应分解水，例如水气转换反应DT0+C0 — DT+C02 (参见Kalyanam and Sood, "Fusion Technology，，1988, ρρ525_528 ;Α· Busigin and P. Gierszewski, "Fusion Engineering and Design，，1998, pp909-914 ；D.K. Murdoch, et al, "Fusion Science and Technology" 2005, pp3-10 ；K. L. Sessions, "Fusion Science and Technology，，2005, pp91_96 ；J. Cristescu, et al, "Fusion Science and Technology，，2005, pp97_101 ；I-R. Cristescu,et al,"Fusion Science and Technology，，2005,pp343_348)。
最近建议将Pd/Ag膜级联作为低温蒸馏的替代技术应用于ITER(D. L. Luo, et al, "Fusion Science and !"echnology^OOS，ppl56_158)。然而，所建议装置的氢通量比 CANDU 反应堆调节器水去氚系统例如Darlington去氚设备的氢通量小1000倍。该替代技术可用于小规模的同位素分离，例如将含有约50%氘和50%氚的等离子体废气提高到适用于聚变燃料再循环的90%氚浓度。大型聚变装置的高通量氚使得低通量技术例如热扩散的使用不切合实际。在核反应堆典型的水去氚化应用中，氚通量与ITER规模的聚变装置相比非常微小，然而需要处理的水量非常大。
现有技术中大规模氢同位素分离低温蒸馏方法具有如下缺点
1.使用液态制冷剂具有相应的危险，例如升温和蒸发时产生高压的可能；非常低的温度工艺条件引起的热应力；需要真空绝缘的低温盒容器来容纳制冷设备。
2.大量的液氢(以及氚)存量，几乎充满了蒸馏塔装填量。
3.潜在的由于杂质冷冻引起的工艺管线阻塞。
4.复杂并且昂贵的工艺装置。
5.复杂的操作和维护。
6.非模块式工艺使得更新和保持设备备件变得困难。
7.需要间歇操作干燥器和液氮吸收器来净化低温蒸馏级联的进料。
由于不能在商业上利用以及从百万分之几到99+%的纯度富集氚需要大量不连续的压缩阶段，因此以前大型膜扩散没有应用于氢同位素分离。为了与低温蒸馏竞争，缩阶段的数量需要减少，尤其在工艺的高氚浓度端，在此存在氚材料的匹配性和安全性问题。
热扩散已经成功的应用于小规模氚分离，甚至达到99+%的氚，但是不能简单的放大到高通量。这是因为热扩散塔必须在层流态下操作，而放大将使得热扩散塔操作进入湍 、流态(R.Clark Jones and W. H. Furry,"Reviews of Modern Physics，，，1946，ppl51_224)。 当通量需求很大时，并联建设的多个小热扩散塔的替代方法是不具有吸引力的。热扩散塔还具有低的热力学效率，这对于小规模并不重要，但对大规模就有问题了。发明内容
本发明的主要目的是提供一种轻水和重水去氚化的大型基于非低温扩散的方法， 该方法比传统的低温蒸馏方法更简单并且更加经济。
本发明的另一个目的是提供一种在启动、关闭和操作上比传统的低温蒸馏方法更简单的方法。
本发明的另一个目的是提供一种设计和更新比传统的低温蒸馏方法更简单的模块式方法。
本发明的另一目的是提供一种基于标准化模块的方法，使得维护和保持设备备件更加简单。
本发明的另一目的是提供一种比传统低温蒸馏方法具有明显减少的元素氢同位素存量的方法。
本发明的另一目的是提供一种方法，其中与传统的低温蒸馏方法相比，该方法由于排除了液态制冷剂而减少了危险。
本发明的另一目的是提供一种能够将含有百万分之几氚含量的水去氚化并且生成具有99%或更高浓度氚的产物的方法。
本发明的另一目的是提供一种连续方法，其中该方法不需要例如通常用在低温蒸馏系统前端的干燥器和液氮吸收器的间歇操作。
通过以下与附图相结合的详细描述，本发明的其它目的和优点将变得非常明显， 其中通过图解和示例的方式，公开了本发明的实施方案。
根据本发明的优选实施方案，公开了一种从水中除去氚的方法，通过将水中的氚4转化为元素氢流，随后通过膜扩散分离并富集氚，最后通过热扩散富集氚。该方法结合了用于分离和预富集氚的膜扩散级联和用于最终富集氚的一个或多个热扩散塔。这种结合利用了在高通量和低氚浓度下膜扩散的可缩放性，以及对于最终富集所需要的低通量热扩散的简单性。该方法适合任何将含氚水中的氚转化为元素氢的前端(front-end)工艺，包括气相催化交换(VPCE)、液相催化交换(LPCE)、直接电解(DE)、电解和催化交换结合(CECE)、通过水气转化反应器(即钯膜反应器(PMIO)或热金属床反应器(HMBR)分解水。该方法可以设计成，但不限制于，在膜扩散部分的高压侧和热扩散部分中在低压(约1大气压)下操作。这将没有例如传统的低温蒸馏中的过压危险，其中传统的低温蒸馏中液态制冷剂在升温下蒸发。
本发明还涉及以下方面
1、一种用于从水中去除氚的方法，所述方法通过将水中的氚转化成元素氢流，然后通过膜扩散分离并富集氚，最后通过热扩散富集氚。
2、一种氢同位素分离方法，包括将大型膜扩散和用于最终富集的小型热扩散串联纟口口。
3、一种结合膜扩散和热扩散的方法，适合任何将含氚水中的氚转化为元素氢的前端工艺，所述前端工艺包括气相催化交换(VPCE)、液相催化交换(LPCE)、直接电解(DE)、电解和催化交换结合(CECE)、通过水气转化反应器(即钯膜反应器(PMIO)或热金属床反应器 (HMBR)分解水。
附图构成了本说明书的一部分并且包括本发明的示例性实施方案，其中实施方案可以以不同的方式实施。应当理解，在一些情况下，可以放大或扩大本发明的不同方面以助于理解本发明。
图1是用于说明本发明中组合方法的工艺流程图。
具体实施方式
在此提供本发明的优选实施方案的详细描述。然而应当理解，本发明可以以不同的方式实施。因此，这里公开的详细描述不作为限制性说明，而是作为权利要求的根据并且作为教导本领域技术人员的代表性依据，使本领域技术人员能够以任何适当的详细系统、 结构或方式来实际实施本发明。
根据本发明，图1显示了基于本发明的水去氚化系统的总体工艺流程图。前端 (front-end)系统10是一种气相催化交换系统(VPCE)，其中含氚水进料11流入用于加湿去氚气流13的气-液接触器12，离开气-液接触器12的未蒸发水14可以回流到进料流 11中或返回到源头，这取决于应用。
在该实施例中，控制进入到气-液接触器12的进料11的温度，以在被加湿的上部流出气流15中维持最佳的氢-水蒸汽比，气流15随后通过高温催化反应器16，在此富含氚的水根据交换反应发生反应DT0 + D2达D2O + DT。
然而应当理解，该方法对于根据任何以下反应从富含氚的重水或轻水中提取氚都是有用的
权利要求
1.一种用于从水中去除氚的大型方法，所述方法中不以水的形式富集氚，所述方法包括串联的以下步骤将水中的氚转化成元素氢流，利用逆流流式膜扩散级联结构来膜扩散分离氚并富集氚至足以允许最后的氚富集步骤的氚浓度水平，和最后通过热扩散富集氚，其中所述方法是基于非低温扩散的方法。
2.根据权利要求1的方法，其中所述方法将含有百万分之几氚含量的水去氚化以生成具有99%或更高浓度氚的产物。
3.根据权利要求1的方法，其中所述方法是连续方法。
4.根据权利要求1的方法，其中所述方法在没有液氮吸收器的存在下进行。
5.根据权利要求1的方法，其中所述方法在低的压力下进行。
6.根据权利要求5的方法，其中所述方法在约1大气压或更低的压力下进行。
7.根据权利要求1到6任一项的方法，其中所述膜扩散步骤利用承载的微孔膜、非承载的微孔膜、承载的氢可渗透金属膜、非承载的氢可渗透金属膜或其组合。
8.根据权利要求6的方法，其中所述膜扩散步骤利用至少一个承载的微孔膜。
9.根据权利要求6的方法，其中所述膜扩散步骤利用至少一个非承载的微孔膜。
10.根据权利要求6的方法，其中所述膜扩散步骤利用至少一个承载的氢可渗透膜。
11.根据权利要求6的方法，其中所述膜扩散步骤利用至少一个非承载的氢可渗透膜。
12.根据权利要求6的方法，其中所述膜是PdAg合金。
13.根据权利要求1的方法，其中所述方法以低的气体存量进行。
14.根据权利要求1到6或权利要求8到13任一项的方法，其中所述方法适合任何将含氚水中的氚转化为元素氢的前端工艺。
15.根据权利要求14的方法，其中所述前端工艺选自气相催化交换(VPCE)，液相催化交换(LPCE)，直接电解(DE)，电解和催化交换结合(CECE)，通过水气转化反应器、热金属床反应器(HMBR)分解水，及其组合。
16.一种氢同位素分离方法，包括将大型膜扩散和用于最终富集的小型热扩散串联结合 O
17.一种结合膜扩散和热扩散的方法，适合任何将含氚水中的氚转化为元素氢的前端工艺，所述前端工艺包括气相催化交换(VPCE)、液相催化交换(LPCE)、直接电解(DE)、电解和催化交换结合(CECE)、通过水气转化反应器(即钯膜反应器(PMIO)或热金属床反应器 (HMBR)分解水。
全文摘要
一种用于从水中去除氚的基于扩散的方法，通过将水中的氚转化成元素氢流，然后通过用于分离和富集氚的膜扩散级联，最后通过一个或多个热扩散塔富集氚。该工艺步骤组合利用在低氚浓度下膜扩散的高通量能力和用于低通量最终氚富集的热扩散的简单性。膜扩散阶段使用承载或非承载微孔或氢可渗透金属膜(例如Pd/Ag合金)。扩散工艺适合任何用于将含氚水中的氚转化为元素氢的前端工艺。该方法可以设计并在低压下操作同时具有低气体存量以及没有内在过压危险。
文档编号C01B5/00GK102515100SQ20111030944
公开日2012年6月27日 申请日期2006年9月14日 优先权日2005年10月11日
发明者安东尼·布西金 申请人:Ge日立核能加拿大公司