一种氢同位素气体净化方法
【专利摘要】本发明提供了一种氢同位素气体净化方法，所述净化方法依次包括如下步骤：a.氢同位素气体净化装置的漏率检验，充He至1.5MPa，保压60min；b.净化前的预处理；c.净化处理；d.后处理。采用本发明的净化方法，能够获得高纯度的氢同位素气体。
【专利说明】一种氢同位素气体净化方法
【技术领域】
[0001]本发明属于氢同位素处理【技术领域】，具体涉及一种氢同位素气体净化方法，本发明用于将氢同位素中的02、N2、Ar、CH4、C02等杂质元素高效去除，以获得纯度为99.999%以上的氢同位素气体。
【背景技术】
[0002]能源、经济和环境是当今人类社会可持续发展面临的三大问题，其中，能源是经济和环境可持续发展的基础。核裂变能是上世纪60年代出现的新兴能源，经过近半个多世纪的发展，目前已具有相当的规模。到20世纪末，全世界的装机容量已达到430GW，裂变能对总能源的贡献为7%。正如没有煤或天然气就不可能有传统发电厂的电力输出一样，没有完整的氘氚燃料循环也就不可能有聚变反应堆的电力输出。
[0003]氢同位素的高效、快速净化是聚变反应堆氘氚核燃料循环的核心技术之一，通过同位素净化，不仅可使反应堆运行中大量未燃烧的氘氚气体得到重新利用，还可实现对聚变反应堆运行过程中氚的环境释放量的有效控制。为满足未来聚变反应堆运行对大规模氢同位素净化需求，目前已经发展了一系列的氢同位素净化技术，如钯合金膜氢扩散净化器坐寸ο
[0004]钯合金膜氢扩散净化器利用了氢同位素在钯合金膜中的快速前期或扩散的特点。钯薄膜表面具有很强的吸氢能力，能使氢分子离解成氢原子溶解于钯中，并沿浓度梯度方向由表面向内扩散，并透过钯薄膜，在膜的另一端以H2分子形态脱离膜表面。在同等条件下，其它气体分子，如02、N2, Ar、CH4, CO2等，由于原子体积、离解能等比氢同位素分子大得多，在钯晶格中的扩散速度十分低，从宏观角度看，不能透过钯薄膜。因此，钯薄膜具有氢气的选择性透过能力。
[0005]早期，当人们发现钯-氢体系的特点后，就以纯钯膜制成渗氢膜以制取少量高纯氢。但是，纯钯膜不是一种好的渗氢膜。在室温和标准大气压力下，Pd/H体系的一个重要特征是在钯氢化物的两个面心立方晶格的不同相(α相、β相)间存在融合间隙。aMax和β ?in的晶间距分别为0.389nm和0.402nm,对应于两相间的线尺度差为3.3%，两种固溶体的比容相差约10%。因此，当用氢气跨越融合间隙区进行吸放氢循环时，钯氢化物会反复发生a - β相间的相变。由于α相、β相晶格常数的差异，相变过程会伴随钯晶格的膨胀和收缩并产生应力，很快导致钯膜皱折破裂。因此，纯钯膜不宜作氢气净化材料。为了克服这一缺点，后来发展了一种Pd-Ag合金，银的加入主要是为了弥合室温下α相、β相间存在的融合间隙，改善合金膜的性能，这种组分的合金比纯钯具有更高的氢渗透率，能有效克服氢化循环过程中钯膜皱折破裂的缺点。对商用Pd-Ag合金的电子显微镜观测结果表明，相同条件下，氢化导致的位错密度比纯钯低得多。可是，该合金膜的缺点是强度仅比纯钯膜稍高，这意味高温下无支承的合金膜不能承受高的氢压力。近年来，钯合金膜在氚净化工艺中的应用结果表明，与材料相关联的一些缺点，如氢脆、氦脆、杂质中毒等，限制了这类合金膜在聚变反应堆核燃料净化严酷条件下的应用。
[0006]研究结果表明，可以通过多元钮合金的方式克服这些缺点。Hughes D T andHarris I R等人的研究结果表明，钯稀土固溶合金是一类很好的氢净化材料，它们是未来聚变反应堆核燃料净化材料的主要侯选材料。适量合金元素的加入，既能有效地消除α相、β相的融合间隙，增强了合金的抗氢脆、氦脆和抗杂质中毒能力，又大大改善氢渗透性能，合金的机械强度又有较大的提高，这有利于聚变反应堆核燃料净化系统的设计。例如，在钯中添加金、银、钇等元素不仅大大提高了氢渗透膜的透氢性能，也提高了氢渗透膜的高温强度。合金元素加入后，氢化物α相、β相固溶体的比容差缩小，抗氢化蠕变能力加强。例如纯钯在20?500°C间的氢气氛中加热-冷却循环，5次左右出现明显变形，而PdNi5.5氢渗透膜加热-冷却循环可达3000次以上无明显变形。
[0007]通过上述分析可看出，钯合金膜对氢同位素有较好的选择透过性，利用这一特点，国内外一些知名的实验室均采用钯合金膜进行氢同位素气体的净化处理，只不过采用的组装结构和添加的微量元素不同而已。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题是提供一种氢同位素气体净化方法。
[0009]本发明的氢同位素气体净化方法，依次包括如下步骤:a、氢同位素气体净化装置的漏率检验，充He至1.5MPa，保压60min ;b、净化前的预处理；c、净化处理；d、后处理。
[0010]步骤a中的漏率检验的漏率值小于1.0X10 —9.Pa.m3.s'
[0011]步骤b中的净化前的预处理包括下列步骤:
(1)打开氢同位素净化装置的入口端及出口端阀门；
(2)在室温下抽空至20Pa以下；
(3)加热至400°C，再抽空至2Pa并维持30min；
(4)继续加热至5000C，继续抽空至2Pa，关闭入口端及出口端阀门。
[0012]步骤C中的净化处理包括下列步骤:
(O打开净化装置的原料气入口端阀门和产品气接收端阀门；
(2)在500°C的恒温下，让待净化的氢同位素气体从原料气入口端进入净化装置；
(3)原料气入口端压力控制在0.2MPa-0.25MPa之间；
(4)产品气用贮氢床吸收；
(5)净化处理完毕后，关闭贮氢床阀门；
(6)尾气用气体循环装置转至缓冲罐。
[0013]步骤d中的净化后处理包括下列步骤:
(1)在500°C的恒温条件下，将净化装置抽空至4Pa以下并维持60min；
(2)自然冷却至室温并关闭降氕装置的各种工艺阀门。
[0014]本发明的有益效果是缩短了氢同位素周期，简化了活化工艺，降低了高纯氢同位素气体的制备成本，确定的氢同位素净化工艺参数可以有效地获得99.999%的氢同位素气体。
【具体实施方式】
[0015]本发明的氢同位素气体净化方法，氢同位素气体净化装置的主体设置有螺旋状的钯钇合金螺旋管。其工艺系统主要由净化器、标准罐、贮气罐、压力传感器、阀门、真空规、气体循环转移泵、真空泵及数据采集系统等构成。整个工艺系统在使用前须经氦质谱检漏，漏率宜小于1.0X 10_9Pa.m3.s'净化器主要用于氢同位素气体的净化处理；标准罐主要用于氢同位素气体净化过程中处理气量的定量标定；贮气罐主要用于氢同位素气体处理过程中处理气量的收集；压力传感器主要用于氢同位素气体净化过程中工作压力显示与控制；阀门主要对工艺系统进行控制；真空规主要用于工艺系统真空度的监测；气体循环转移泵主要用于氢同位素气体净化过程中气体的转移与增压；真空泵主要用于工艺系统的抽空处理；数据采集系统主要用于氢同位素气体净化过程中数据的实时采集。
[0016]本发明依次包括如下步骤:
I)、氢同位素气体净化装置的设计与加工
氢同位素气体净化装置的主体是螺旋状的钮乾合金螺旋管(Pd-0.8wt.% Y),有效渗透面积为620cm2，此装置的最大耐压强度为1.5MPa，该装置设计为内压式。包括I个原料气进口、I个产品气出口和I个尾气出口。
[0017]2)氢同位素气体净化装置的漏率检验
为了确保产品气的纯度，在进行氢同位素气体净化前，需对该装置进行整体检漏。检漏方式:充He至1.5MPa并保压60min，漏率小于1.0X10 —9.Pa.m3.s'
[0018]3)氢同位素气体净化前的预处理
氢同位素净化装置抽空至20Pa以下，然后加热至400°C，再抽空至2Pa并维持30min ；
3)将加热后的氢同位素净化装置继续加热至500°C，继续抽空至2Pa并在此温度下进行氢同位素气体的净化处理。
[0019]4)氢同位素气体的净化处理
为了确保氢同位素净化装置在净化过程中的安全性，在氢同位素气体净化前必须对装置进行漏率检验和预处理，其漏率检验工艺过程为:将制作好的氢同位素气体净化装置接入工艺系统，充He至1.5MPa后并保压60min，漏率小于1.0X 10 —9.Pa.m3.S-1。其预处理过程为:在500°C的恒温条件下，将缓冲罐中的氢同位素气体从净化装置的原料气入口端进入净化装置，产品气接收端用预先活化好的贮氢床进行吸收，尾气用气体循环装置转至缓冲罐中进行进行净化处理，直到取样分析原料气中的氢同位素含量小于I %为止，为了确保净化装置在氢同位素气体净化过程中有较高的驱动力(即螺旋管内外压差大于0.2MPa)，氢同位素气体净化过程中，必须采用气体循环增压泵维持相对恒定的压差。
[0020]氢同位素气体净化装置的工作温度为500°C，实验中设置了不同杂质含量、不同处理气量。在相同的杂质含量下，当初始处理气量为14L时,净化30min后,尾气的氢同位素气体总量小于I 而当初始处理气量为14L时，净化60min后，尾气的氢同位素气体总量小于I %。在相同的处理气量下，当原料气杂质含量为10%时,净化20min后,尾气中的氢同位素气体总量小于1% ;当原料气杂质含量为50%时，净化40min后，尾气中的氢同位素气体总量小于I %。结果显示，在500°C的净化温度下，该方法对氢同位素有较好的净化效果，净化尾气中的氢同位素浓度小于1%。且净化时间较现国际上通用的直管型净化装置的净化时间低约2?3倍。
[0021]5)氢同位素气体净化后的处理
在氢同位素气体净化完毕后，在500°C的恒温条件下，用真空泵将净化装置抽空至4Pa以下并维持60min后，让净化装置自然冷却至室温并关闭装置的各种工艺阀门。
[0022]工艺过程主要技术条件:
(I)检漏介质:He-4气体，纯度:大于99.999%。
[0023](2)检漏压力:1.5MPa (绝压)。
[0024](3)预处理:冷除气包括，常温、抽空至20Pa以下并保持30min ;热除气包括500 0C，抽空至2Pa并保持60min。
[0025](4)氢同位素气体净化处理:工作为500°C，装置采用内压式，内外压差不低于
0.2MPa (绝压)。
[0026](5)氢同位素气体净化后的处理:在500°C下抽空至5Pa并维持60min。
[0027]氢同位素净化装置的净化效果:
在使用本发明中保压检漏工艺后，确保了该装置的使用过程中的安全性；获得的氢同位素气体净化前预处理工艺，能有效地去除微量水分、氧、氮及表面吸附物等，确保后续的氢同位素气体净化过程中避免装置中毒而降低净化效率；获得的氢同位素气体净化工艺参数能获得高纯度的氢同位素气体且能将尾气中的氢同位素气体总量控制在1%以下，避免了因氢同位素气体的环境释放而带来的安全隐患。
【权利要求】
1.一种氢同位素气体净化方法，所述净化方法依次包括如下步骤:a、氢同位素气体净化装置的漏率检验，充He至1.5MPa，保压60min ;b、净化前的预处理；c、净化处理；d、后处理。
2.根据权利要求1所述的氢同位素气体净化方法，其特征在于:步骤a中的漏率检验的漏率值小于 1.0X10 —9.Pa.m3.S—1。
3.根据权利要求1的氢同位素气体净化方法，其特征在于:步骤b中的净化前的预处理包括下列步骤: (1)打开氢同位素净化装置的入口端及出口端阀门； (2)在室温下抽空至20Pa以下； (3)加热至400°C，再抽空至2Pa并维持30min； (4)继续加热至5000C，继续抽空至2Pa，关闭入口端及出口端阀门。
4.根据权利要求1的氢同位素气体净化方法，其特征在于:步骤c中的净化处理包括下列步骤: (1)打开净化装置的原料气入口端阀门和产品气接收端阀门； (2)在500°C的恒温下，让待净化的氢同位素气体从原料气入口端进入净化装置； (3)原料气入口端压力控制在0.2MPa-0.25MPa之间； (4)产品气用贮氢床吸收； (5)净化处理完毕后，关闭贮氢床阀门； (6)尾气用气体循环装置转至缓冲罐。
5.根据权利要求1的氢同位素气体净化方法，其特征在于:步骤d中的净化后处理包括下列步骤: (1)在500°C的恒温条件下，将净化装置抽空至4Pa以下并维持60min； (2)自然冷却至室温并关闭降氕装置的各种工艺阀门。
【文档编号】B01D59/10GK104128093SQ201410354805
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】熊义富, 罗德礼, 石岩, 把静文, 敬文勇, 何名明, 吴文清, 常元庆 申请人:中国工程物理研究院材料研究所