一种聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置及方法
【专利摘要】本发明提供了一种聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置及方法，依据各单元在处理流程中的作用和必要性，分为主路和支路。主路中仅包含低温泵和Pd合金膜分离单元，通过这两个单元即可将排灰气中96%以上的氘氚燃料回收。本发明的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收方法处理时间短，更加符合快速回收氘氚燃料的要求；同时，回收工艺简化，有利于降低系统中氚的滞留量，避免了杂质气体对Pd合金膜分离器的不利影响。而且，没有被主路回收的少量氘氚通过支路回收，保证了较高的回收效率。本发明聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置及方法具有处理周期短、流程简单、回收率高、系统稳定性好、使用寿命长等优点，能够满足现有聚变反应堆的设计需求。
【专利说明】
一种聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于聚变反应堆领域，具体涉及一种聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置 及方法。
【背景技术】
[0002] 随着化石燃料的短缺，以及环境污染等问题的日益严重，聚变能源逐渐引起了人 们的重视。在聚变能源的发展过程中，氘氚燃料循环是必须解决的工程技术问题，也是实现 商业应用的基础。由于聚变流程中氘氚的反应率很低，大量未反应的氘氚存在于等离子体 排灰气中，从安全、环保及经济角度出发，必须对排灰气进行处理，对其中的氘氚燃料进行 回收。
[0003] 排灰气中的氘氚燃料回收主要是通过等离子体排灰气处理系统（TEP)完成的，合 适的TEP流程必须满足以下要求：（1)具有足够快的处理速度，以便减小投氚量；（2)具备足 够高的燃料回收效率，以实现氚"自持"；（3)具备足够快的脱氕速度，实现氕与氘氚的分离， 以满足投料纯度的要求;（4)尽量低的系统氚滞留量，以确保安全，并减少氚的库存量。
[0004] TEP的工艺流程设计取决于等离子体排灰气的组成。聚变反应堆排灰气的具体组 成及含量与聚变堆的类型、面向等离子体的材料及实验条件等因素有关，主要包括大量未 反应的氘氚和少量的杂质，杂质包括碳氢化合物、水、一氧化碳、氮气等。其中，需要回收的 氘氚燃料大部分为单质态的Q2(Q 2是由氢元素的三种同位素组成的单质，包括:H2、HD、HT、 〇2、01'、1'2)，小部分为化合态(如氚代甲烷、氚水等）。
[0005] 目前，国际上相对较为完整的TEP流程是德国TLK(Tritiumlabor Karlsruhe)实验 室发展的CAPER工艺。工艺流程主要包括钯膜分离、催化反应-膜分离和催化交换膜反应三 个单元。在钯膜分离单元，绝大部分单质态氢同位素透过钯膜被分离回收，钯膜分离器的尾 气则进入催化反应-膜分离单元，尾气中含有较多的Q 2CK CQ4、He等杂质气体。在催化反应-膜 分离单元，通过甲烷裂解、水汽重整等催化反应将化合态的氢同位素转化为单质态，并透过 钯膜分离回收，部分尾气则进入催化交换膜反应单元，该尾气中还含有少量的Q 2〇、CQ4以及 他、(：0、(：〇2等杂质气体。催化反应-膜分离单元的尾气再进入催化交换膜反应单元，〇2〇、〇94 与大量出发生氢同位素交换反应，化合态的氘氚被置换出来(转化为单质态），并透过钯膜 分离回收。经过这三个处理单元，尾气中氘氚含量极低，根据需要，尾气可进入废气除氚单 元进一步处理。
[0006] CAPER流程经过TLK实验室几十年的发展，其可行性已基本得到验证。然而，该流程 中，回收化合态氘氚的单元(即催化反应-膜分离单元和催化交换膜反应单元)用时较长，且 耗费较高。同时，近年来聚变反应堆的设计者们改进了面向等离子体的材料，选用的材料中 不含碳元素，使排灰气中杂质气体(包括化合态氖氣)的含量大大降低，这也使得CAPER流程 在处理速度及系统氚滞留量等方面显示出不足。而且，如果排灰气中杂质含量较高，直接进 入Pd合金膜分离器中，会对Pd合金膜分离器的使用寿命及系统稳定性造成较为明显的不利 影响。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的一个技术问题是提供一种聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置， 本发明要解决的另一个技术问题是提供一种聚变堆排灰气中的氘氚快速回收方法。
[0008] 本发明的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置，其特点是，包括低温栗、Pd合金膜 分离单元、色谱柱、Pd合金膜反应单元，聚变反应室生成的排灰气通过低温栗，分成A路、B 路，A路进入Pd合金膜分离单元后分成Al路、A2路、A3路;Al路与氚储存系统相连;A2路通过 色谱柱后分别与氚储存系统、氢同位素分离系统相连;A3路通过Pd合金膜反应单元进入废 气除氚系统或氢同位素分离系统;B路通过Pd合金膜反应单元进入废气除氚系统或氢同位 素分离系统。
[0009] 所述的低温栗由低温分子筛柱和氦制冷低温栗组合而成，低温分子筛柱作为前级 栗，工作温度为77K，抽出除He和出以外的杂质气体，氦制冷低温栗工作温度为4K，抽出He和 Q2〇
[0010] 所述的Pd合金膜分离单元由两个或两个以上的Pd合金膜分离器串联组成，所述的 Pd 合金为 Pd+Ag、Pd+Y、Pd+Ag+Au、Pd+Ag+Au+Y 或 Pd+Ag+Au+Ni 合金中的一种。
[0011 ] 所述的色谱柱中装填Al2〇3+l%Si〇2、涂覆Fe2〇3的4A分子筛或5A分子筛中的一种，色 谱柱工作温度范围为77K~150K。
[0012] 所述的Pd合金膜反应单元由两个或两个以上的Pd合金膜反应器串联组成，所述的 Pd 合金为Pd+Ag、Pd+Y、Pd+Ag+Au、Pd+Ag+Au+Y或 Pd+Ag+Au+Ni 合金中的一种。
[0013] 本发明的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收方法，包括以下步骤： 6a.粗分 排灰气经低温栗抽出后，在低温栗内进行解吸，得到气体I、尾气I;气体I包括Q2和He， 尾气I包括N2、Q2O、CO2和CQ4; 6b. Pd膜纯化 气体I进入Pd合金膜分离单元分离，得到气体Π 、尾气Π ，气体Π 为出气体;尾气Π 包括 He和Q2气体，Q2气体的含量低于5%; 6c.纯化后处理 当气体Π 中H/Q〈10%并且T/D=0.95~1.05时，气体Π 进入氚储存系统； 当气体π中h/q彡?ο%时，气体π进入色谱柱脱氕，得到气体m、尾气m，气体m中的h/q 〈10%并且T/D=0.95~1.05时，气体m进入氚储存系统;尾气m进入氢同位素分离系统； 6d.杂质气体处理 尾气I、尾气Π 进入储气罐储存，储存量达到设定数量时，进入Pd合金膜反应单元开始 催化膜反应生成出和尾气1￥，〇2进入氢同位素分离系统、尾气IV进入废气除氚系统，尾气IV 包括 N2、H2〇、C〇2 和 CH4。
[0014] 所述的步骤6d的催化膜反应采用的催化剂为Pt+Al2〇3、Pd+Al 2〇3、Ni+Al2〇3、Pt+ CeO2或Pd+Ce〇2中的一种或二种以上。
[0015] 本发明的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置，依据各单元在处理流程中的作用 和必要性，可分为主路和支路。其中，主路是不论排灰气组成如何，都要经过的单元，包括低 温栗和Pd合金膜分离单元;支路包括色谱柱和Pd合金膜反应单元，排灰气是否需要经过该 单元则视其中的杂质及氕含量情况而定:如果排灰气中杂质气体含量低于1%，可从低温栗 解吸后直接进入Pd合金膜分离单元;如果杂质含量高于1%，则经过低温栗粗分以后，将杂质 气体储存于缓冲装置，达到设定数量后进入Pd合金膜反应单元;如果由Pd合金膜分离单元 得到的氢同位素气体中氕含量低于10%，则不需经过色谱柱，直接进入氚储存系统。如此一 来，在排灰气杂质含量较低的情况下，氘氚燃料的回收与分离流程周期将大大缩短。
[0016] 由于本发明的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置的主路中仅包含低温栗和Pd 合金膜分离单元，通过这两个单元即可将排灰气中96%以上的氘氚燃料回收。本发明的聚变 堆排灰气中的氘氚快速回收方法处理时间短，更加符合快速回收氘氚燃料的要求；同时，主 要的回收工艺大大简化，有利于降低系统中氚的滞留量。而且，没有被主路回收的少量氘氚 通过支路回收，保证了较高的回收效率。此外，经过低温栗粗分以后，进入Pd合金膜分离单 元的杂质气体量降低，有利于提高系统的稳定性，并延长使用寿命。
[0017] 本发明的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置和方法结合现有聚变反应堆的特 点，在高效回收聚变堆排灰气中氘氚燃料的同时，加快处理速度，简化回收流程，降低系统 中氚的滞留量，避免了杂质气体对Pd合金膜分离器的不利影响，具有处理周期短、流程简 单、回收率高、系统稳定性好、使用寿命长等优点，能够满足现有聚变反应堆的设计需求。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置和方法的工作流程示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和实施例详细说明本发明。
[0020] 本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥 的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0021] 本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的 替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子 而已。
[0022] 本发明的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置，包括低温栗、Pd合金膜分离单元、 色谱柱、Pd合金膜反应单元，聚变反应室生成的排灰气通过低温栗，分成A路、B路，A路进入 Pd合金膜分离单元后分成Al路、A2路、A3路;Al路与氚储存系统相连;A2路通过色谱柱后分 别与氚储存系统、氢同位素分离系统相连;A3路通过Pd合金膜反应单元进入废气除氚系统 或氢同位素分离系统;B路通过Pd合金膜反应单元进入废气除氚系统或氢同位素分离系统。
[0023] 所述的低温栗由低温分子筛柱和氦制冷低温栗组合而成，低温分子筛柱作为前级 栗，工作温度为77K，抽出除He和出以外的杂质气体，氦制冷低温栗工作温度为4K，抽出He和 Q2〇
[0024] 所述的Pd合金膜分离单元由两个或两个以上的Pd合金膜分离器串联组成，所述的 Pd 合金为 Pd+Ag、Pd+Y、Pd+Ag+Au、Pd+Ag+Au+Y 或 Pd+Ag+Au+Ni 合金中的一种。
[0025] 所述的色谱柱中装填Al2〇3+l%Si〇2、涂覆Fe2〇3的4A分子筛或5A分子筛中的一种，色 谱柱工作温度范围为77K~150K。
[0026] 所述的Pd合金膜反应单元由两个或两个以上的Pd合金膜反应器串联组成，所述的 Pd 合金为 Pd+Ag、Pd+Y、Pd+Ag+Au、Pd+Ag+Au+Y 或 Pd+Ag+Au+Ni 合金中的一种。
[0027] 本发明的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收方法，包括以下步骤： 6a.粗分 排灰气经低温栗抽出后，在低温栗内进行解吸，得到气体I、尾气I;气体I包括Q2和He， 尾气I包括N2、Q2O、CO2和CQ4; 6b. Pd膜纯化 气体I进入Pd合金膜分离单元分离，得到气体Π 、尾气Π ，气体Π 为出气体;尾气Π 包括 He和Q2气体，Q2气体的含量低于5%; 6c.纯化后处理 当气体Π 中H/Q〈10%并且T/D=0.95~1.05时，气体Π 进入氚储存系统； 当气体π中h/q彡?ο%时，气体π进入色谱柱脱氕，得到气体m、尾气m，气体m中的h/q 〈10%并且T/D=0.95~1.05时，气体m进入氚储存系统;尾气m进入氢同位素分离系统； 6d.杂质气体处理 尾气I、尾气Π 进入储气罐储存，储存量达到设定数量时，进入Pd合金膜反应单元开始 催化膜反应生成出和尾气1￥，〇2进入氢同位素分离系统，尾气IV进入废气除氚系统，尾气IV 包括 N2、H2〇、C〇2 和 CH4。
[0028] 所述的步骤6d的催化膜反应采用的催化剂为Pt+Al2〇3、Pd+Al 2〇3、Ni+Al2〇3、Pt+ CeO2或Pd+Ce〇2中的一种或二种以上。
[0029] 实施例1 排灰气的组分及含量如下：Q2 99.10%，He 0.50%，Q20 0.10%，CQ4 0.08%，C0 0.06%，C〇2 0.03%，N2 0·10%，〇2 0.03%。
[0030] 本实施例中，由于杂质气体的含量很低(小于1.0%)，对Pd合金膜的性能影响较小， 低温栗的前后级同时解吸得到气体?:，直接进入Pd合金膜分离单元，Pd合金膜分离单元的渗 透气为高纯度（> 99.999%)的Q2 (记为气体证），气体证中氕、氘、氚含量(体积百分数)分别为 2.0%、48.7%、49.3%，直接进入氚储存系统。Pd合金膜分离单元分离的尾气（记为尾气Π )中 含有少量Q2及此、〇2〇丄〇4、0)、0)2、仏、02等杂质气体，储存于缓冲装置(本实施例中，缓冲装 置采用储气罐）中。当储气罐中的尾气达到IL后，送入Pd合金膜反应单元，在PVAl 2O3催化剂 作用下经过三级氢同位素交换反应，Pd合金膜反应单元的渗透气为高纯的Q 2,进入氢同位 素分离系统(本实施例中采用低温精馏系统），以除去其中的氕;反应产生的尾气(记为尾气 1￥)中，氖氣含量极低（<〇.〇1%)，进入废气除氣系统进一步处理。
[0031] 经测定，处理相同组分、体积的排灰气，本发明所需处理时间仅为CAPER工艺流程 的0.3~0.35倍。
[0032] 实施例2 本实施例中，排灰气的组分及含量如下：Q2 94.10%，He 2.80%，Q2〇 0.80%，CQ4 0.65%， CO 0.35%,CO2 0.28%,N2 0.90%,O2 0.12%〇
[0033]本实施例中，由于杂质气体的含量相对较高，低温栗的前级和后级分别解吸，前级 的低温分子筛柱在常温下解吸得到尾气I，后级的氦制冷低温栗在77K下解吸得到气体I:。气 体?:的主要成分为Q2和He，尾气I含有少量Q^He、Q 2O、CQ4、CO、CO2、N2、O2等杂质气体。气体B 进入Pd合金膜分离单元，得到气体H和尾气H，气体K中氕、氘、氚含量分别为11.0%、44.2%、 44.8%。由于气体H中氕含量较高，进入装填Al2〇3+l%Si〇2的色谱柱中进行脱氕处理，色谱柱 温度为77K，获得氕、氘、氚含量分别为1.0%、49.2%、49.8%的产品气(记为气体ΠΙ )，气体1? 进入氚储存系统。色谱柱的尾气(记为尾气Π? )中氕、氘、氚的含量分别为95.2%、2.5%、2.3%， 进入氢同位素分离系统(本实施例中采用低温精馏系统)进行再次分离。尾气I和尾气31储 存于缓冲装置(本实施例中，缓冲装置采用储气罐）中。当储气罐中的尾气达到IL后，送入Pd 合金膜反应单元，在NVAl2O3及PVCeO2催化剂作用下分别发生氢同位素交换反应及水汽重 整反应，Pd合金膜反应单元的渗透气为高纯的Q 2,进入氢同位素分离系统(本实施例中采用 低温精馏系统），以除去其中的氕；反应产生的尾气（记为尾气W )中，氘氚含量极低（< 0.01%)，进入废气除氚系统进一步处理。
[0034] 经测定，处理相同组分、体积的排灰气，本发明所需处理时间仅为CAPER工艺流程 的0.4~0.55倍。
[0035] 本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的 新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【主权项】
1. 一种聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置，其特征在于:所述的装置包括低温栗、Pd 合金膜分离单元、色谱柱、Pd合金膜反应单元，聚变反应室生成的排灰气通过低温栗，分成A 路、B路，A路进入Pd合金膜分离单元后分成Al路、A2路、A3路;Al路与氚储存系统相连;A2路 通过色谱柱后分别与氚储存系统、氢同位素分离系统相连;A3路通过Pd合金膜反应单元进 入废气除氚系统或氢同位素分离系统;B路通过Pd合金膜反应单元进入废气除氚系统或氢 同位素分离系统。2. 根据权利要求1所述的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置，其特征在于，所述的低 温栗由低温分子筛柱和氦制冷低温栗组合而成，低温分子筛柱作为前级栗，工作温度为 77K，抽出除He和Q 2以外的杂质气体，氦制冷低温栗工作温度为4K，抽出He和Q2。3. 根据权利要求1所述的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置，其特征在于，所述的Pd 合金膜分离单元由两个或两个以上的Pd合金膜分离器串联组成，所述的Pd合金为Pd+Ag、Pd +Y、Pd+Ag+Au、Pd+Ag+Au+Y 或 Pd+Ag+Au+Ni 合金中的一种。4. 根据权利要求1所述的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置，其特征在于，所述的色 谱柱中装填Al2〇 3+l%Si02、涂覆Fe2O3的4A分子筛或5A分子筛中的一种，色谱柱工作温度范围 为77K~150K。5. 根据权利要求1所述的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置，其特征在于，所述的Pd 合金膜反应单元由两个或两个以上的Pd合金膜反应器串联组成，所述的Pd合金为Pd+Ag、Pd +Y、Pd+Ag+Au、Pd+Ag+Au+Y或 Pd+Ag+Au+Ni 合金中的一种。6. -种聚变堆排灰气中的氘氚快速回收方法，包括以下步骤： 6a.粗分 排灰气经低温栗抽出后，在低温栗内进行解吸，得到气体I、尾气I;气体I包括Q2和He，尾 气 I 包括 N2、Q2OXO2 和 CQ4; 6b. Pd膜纯化 气体I进入Pd合金膜分离单元分离，得到气体Π 、尾气Π ，气体11为出气体;尾气Π 包括 He和Q2气体，Q2气体的含量低于5%; 6c.纯化后处理 当气体Π 中H/Q〈10%并且T/D=0.95~1.05时，气体Π 进入氚储存系统； 当气体π中h/q彡?ο%时，气体π进入色谱柱脱氕，得到气体m、尾气m，气体m中的h/q 〈10%并且T/D=0.95~1.05时，气体m进入氚储存系统;尾气m进入氢同位素分离系统； 6d.杂质气体处理 尾气I、尾气Π 进入储气罐储存，储存量达到设定数量时，进入Pd合金膜反应单元开始 催化膜反应生成出和尾气1￥，〇2进入氢同位素分离系统、尾气IV进入废气除氚系统，尾气IV 包括 N2、H2〇、C〇2 和 CH4。7. 根据权利要求6所述的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收方法，其特征在于，所述的步 骤6d的催化膜反应采用的催化剂为？七+六1 2〇3、？(1+六12〇3、附+六12〇 3、？七+〇6〇2或?(1+〇6〇2中的一 种或以上。
【文档编号】C01B4/00GK105923604SQ201610245962
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】熊亮萍, 王和义, 龚宇, 岳磊, 侯京伟, 陈晓军, 刘云怒, 夏修龙, 肖成建, 张勤英
【申请人】中国工程物理研究院核物理与化学研究所