一种聚变堆低氚滞留氢同位素分离装置的制作方法

1.本发明属于核燃料领域，尤其涉及一种氢同位素分离装置。


背景技术：

2.聚变堆在燃烧氚的同时，需要在增殖包层内通过中子和锂反应造氚以实现聚变堆自身的燃料“自持”。增殖包层中产生的氚通过含氢的载气吹扫出来，但由于载气中氚的丰度通常在0.01％～0.1％，不能满足聚变燃料对氚的丰度要求(氚丰度为50％
‑
90％)，因此需要将载气送入在氢同位素分离系统中进行氚分离和浓缩。
3.目前进行氚分离和浓缩方法主要包括：热扩散方法、低温精馏法、低温色谱法、钯色谱法和激光分离等，其中低温精馏方法为最常见的一种氚分离和浓缩方法。
4.目前利用低温精馏法进行氚的浓缩和提取的装置如图1所示，该装置为一种双柱级联的低温精馏装置，利用该装置进行氚分离与浓缩的操作如下：从增殖包层出来的原料(t∶h＝1∶1000)，首先进入精馏柱a中进行分离氚氢分离，氚在再沸器a中富集，氢在精馏柱顶部的冷凝器a中富集，经过再沸器a加热，氢和氚通过精馏柱a进行多次反复分离，直至冷凝器a中的氚氢比浓缩为t∶h＝1∶50之后再通过精馏柱b进行二级浓缩，经二级浓缩后的氚氢比t∶h＞1∶1，最后通过氚储存系统进行氚的收集与储存，氢气通过冷凝器a和冷凝器b使液氢冷凝至20k后从精馏柱a顶端返回增殖包层循环使用。
5.上述双精馏柱级联的氢同位素分离装置或者更多精馏柱级联装置虽然能够连续操作，并能够实现增殖包层低品位氚的浓缩，但是由于再沸器加热时，为了防止再沸器烧干，必须保留一定量的液态氢氚在再沸器中，然而最后一级再沸器中氚浓度很高，这将导致大量的氚滞留在系统内而无法存储利用，这不仅给系统辐射防护和安全带来极大挑战，而且滞留在系统中的氚会由于衰变而损失，最终导致聚变堆的燃料不能实现“自持”。除此之外，低温精馏装置中的设备工作在液氢温区，液氢输送所需的泵、流量计等设备不但造价昂贵，而且精度要求高，目前国内尚无成熟可靠的产品。
6.因此，亟需一种聚变堆低氚滞留氢同位素分离装置，该装置实现系统内液态氚的低滞留，保证聚变堆的燃料能够实现“自持”，且经济性和可靠性大幅提高。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供一种聚变堆低氚滞留氢同位素分离装置。
8.为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种聚变堆低氚滞留氢同位素分离装置，所述装置包括：
9.低温精馏系统，所述低温精馏系统包括：再沸器、精馏柱、冷凝器和回热器，所述再沸器安装在精馏柱底部，所述冷凝器位于精馏柱顶部，所述回热器安装在低温精馏系统的进气口管道及出气口管道上；所述低温精馏系统设置有多个进气口及多个出气口，所述低温精馏系统放置在真空冷箱内；
10.低温色谱分离系统，所述低温色谱分离系统包括：液氮杜瓦瓶和色谱柱，所述色谱
柱放置在液氮杜瓦瓶内；所述低温色谱分离系统包括一个进气口与两个出气口，其进气口与低温精馏系统的一个出气口连接；
11.膜分离系统，所述膜分离系统中的分离膜采用钯基合金材料，所述膜分离系统包括一个进气口与两个出气口，所述膜分离系统的进气口与低温色谱分离系统的一个出气口连接；所述膜分离系统的两个出气口其中一个与低温精馏系统连接，另一个连接在低温精馏系统和低温色谱分离系统的连接管道上；
12.氚储存系统，所述氚储存系统与低温色谱分离系统另一个出气口连接。
13.优选的，所述精馏柱的工作温度为15～25k，工作压力为100kpa～1000kpa，所述精馏柱在长度方向上均匀布置多个精度为
±
20mk低温传感器。
14.优选的，所述精馏柱内放置多孔填料和液氢分布器。
15.优选的，所述多孔填料为不锈钢。
16.优选的，所述冷凝器中设置温度调节阀和辅助加热器，所述冷凝器的冷源为温度为14k～15k的氦气。
17.优选的，所述色谱柱为螺旋管状，色谱柱内装填有多孔分子筛材料。
18.优选的，所述分子筛材料粒径为1～4mm；所述分子筛材料的加热活化温度为473k～573k。
19.优选的，所述真空冷箱的真空度为10
‑5pa～10
‑2pa，冷箱内壁布置冷屏，冷屏上安装有温度传感器和液位传感器。
20.优选的，所述冷屏为液氮。
21.优选的，所述低温精馏系统根据需求可扩展为多级。
22.本发明的有益效果是：1、本发明公开的聚变堆低氚滞留氢同位素分离装置利用低温精馏系统进行一级分离浓缩，之后利用低温色谱分离系统进行氚二级分离浓缩，在低温色谱分离系统中氢氚是以气态进行分离，不存在高浓度氚滞留在系统内的情况，因此本发明解决了大量氚滞留在分离系统中无法存储使用的问题，从而提高了氚的利用率，保证反应堆内氚燃料的“自持”，同时提高了装置的固有安全性，降低了氚辐射防护难度；2、本发明公开的聚变堆低氚滞留氢同位素分离装置工作在液氮温区，相对液氢温的装置，本发明的设备不需要液氢输送所需的泵、流量计等昂贵设备，经济性和可靠性大幅提高；3、本发明公开的氢同位素分离装置利用氦气将氢氚气体吹扫进入低温色谱柱内，并设置膜分离系统进行氦气和氢氚气体的分离，分离之后的氦气重复利用，氢氚气体重新回到低温精馏系统进行再分离，提高了资源的利用率，节约生产成本；4、本发明设置液位传感器、温度传感器等，对装置进行实时监测，并能根据监测结果进行自动调整，实现装置的自动化运行。
附图说明
23.图1为本发明的聚变堆低氚滞留氢同位素分离装置的结构示意图；
24.图2为本发明的低温精馏系统结构示意图；
25.图3为氢和氚在色谱柱内析出先后顺序示意图；
26.图中：1.再沸器 2.精馏柱 3.冷凝器 4.膜分离系统 5.低温色谱分离系统 6.氚储存系统 7.真空冷箱 8.冷屏 9.回热器。
具体实施方式
27.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
28.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
29.如图1所示的一种聚变堆低氚滞留氢同位素分离装置，所述装置包括：低温精馏系统、低温色谱分离系统5、膜分离系统4和氚储存系统6。
30.如图2所示，低温精馏系统还包括：再沸器1、精馏柱2、冷凝器3和回热器9，所述再沸器1安装在精馏柱2底部，所述冷凝器3位于精馏柱2顶部，所述回热器9安装在低温精馏系统的进气口管道及出气口管道上用于回收尾气中的冷量与进入系统的气体的热量，实现进入系统的氢气和输出的尾气之间的热交换。上述低温精馏系统设置有多个进气口及多个出气口。
31.上述精馏柱2的材质为316l不锈钢，工作温度为15～25k，工作压力100kpa～1000kpa。精馏柱上所有焊缝都经过液氮冷激后进行漏率测试，测试次数不少于3次。精馏柱内放置多孔不锈钢填料和液氢分布器，精馏柱2中添加多孔填料的目的在于增加氢氚混合气体或者液体在精馏柱中的反应时间，增加氢氚分离程度，并且在精馏柱的长度方向上布置了多个低温传感器，如图2中的t1～t3，及压力计p1和p2，用于对精馏柱不同高度的温度进行监测，温度传感器的测温范围为15k～77k，低温传感器的精度为
±
20mk。
32.上述精馏柱中的不锈钢填料具有较大的比表面积，一旦填料上有灰尘等固体杂质或者油污等液体杂质，对于气/液在其上的接触与平衡效率有很大的影响，因此精馏填料的清洗处理非常重要。精馏填料的清洗遵照以下步骤：
33.s1：将填料放入酒精池中进行浸泡，之后从酒精池中取出并放入装有酒精的超声波清洗器中，打开清洗器进行超声波清洗30min。超声清洗会造成填料温度的上升，并加快蒸发，应注意时间把握；
34.s2：超声清洗过后将填料用清水冲洗干净，每块填料需持续冲洗5
‑
10分钟；
35.s3：将填料摆放整齐后用干氮气吹扫，将填料缝隙中的灰尘吹出并加快填料上水分的蒸发，防止水渍的形成。
36.s4：将填料用吸水纸包裹放入真空干燥箱中以100℃的温度烘干，备用。
37.上述冷凝器3用于将上升到精馏柱顶部的氢氚混合气体进行冷凝，使冷凝后的液体回流至精馏柱中，进行再次分离。冷凝器的冷源为温度为14k～15k的氦气，在冷凝器中设置温度调节阀和辅助加热器来调节控制冷量，冷量的波动范围小于10w，并安装低温传感器进行温度测量，图2中的t5和t6。
38.底部的再沸器1用精密热电阻加热，加热功率控制精度
±
100mw，并且在再沸器中的安装了压力计p3用于测量再沸器中的液面高度，防止再沸器烧干，压力计的测量精度
±
5pa，，并安装了温度传感器t4进行温度检测。
39.整个低温精馏系统放置在真空冷箱7内，真空冷箱的真空度为10
‑5pa～10
‑2pa，冷箱内壁布置冷屏8，可选择液氮作为冷屏8，冷屏8上安装有温度传感器，如图2所示的温度传感器t7～t12，以及液位传感器，用于监视液氮冷屏温度和液氮液位，控制液氮液位自动补
充液氮。真空冷箱7内设置液氮冷屏主要用于屏蔽环境热辐射，维持低温精馏系统工作所需的低温环境。真空冷箱的外壳整体为圆柱形，304不锈钢材料，内外抛光处理。
40.低温色谱分离系统5包括：液氮杜瓦瓶和色谱柱，色谱柱放置在液氮杜瓦瓶，并浸泡在液氮中；低温色谱分离系统包括一个进气口与两个出气口，其中进气口与低温精馏系统的一个出气口连接，以氦气作为载气，将在低温精馏系统内进行一级分离浓缩后的氢氚混合气体吹扫进低温色谱分离系统5中进行进一步的分离与浓缩。
41.上述液氮杜瓦瓶为色谱柱提供工作所需要的温度，液氮杜瓦瓶上设置液氮输液管、氮气出口、压力表、安全阀、测温线出管、气体引出管、加热引出管等；上述色谱柱绕制成螺旋管，结构紧凑，占地面积很小，色谱柱内装填有多孔分子筛材料，分子筛材料粒径为1
‑
4mm；分子筛材料的加热活化温度为473k～573k，分子筛材料可选择ms5a，ms4a。
42.膜分离系统4采用钯基合金制作分离膜，膜分离系统包括一个进气口与两个出气口，进气口与低温色谱分离系统的一个出气口连接，低温色谱分离系统的尾气，即氦气与氢氚气体的混合气体进入膜分离系统4进行氦气与氢氚气体的分离，同时膜分离系统设置两个出气口，其中一个与低温精馏系统连接，使得膜分离系统分离的氢氚混合气体进入低温精馏系统中进行再次分离，另一个出口连接在低温精馏系统和低温色谱分离系统的连接管道上，使分离出的氦气循环使用。
43.上述膜分离系统4的工作温度350℃～500℃
44.氚储存系统6与低温色谱分离系统另一个出气口连接，用于收集分离浓缩后的气态氚。
45.图2中p4和p5为安装在真空冷箱阀箱上的压力计。
46.本发明公开的聚变堆低氚滞留氢同位素分离装置进行氢同位素分离的工作流程如下：首先将原料(t∶h＝1∶1000)送入低温精馏系统中进行分离，氚在再沸器1中浓缩20倍，一级浓缩后的t∶h＝1：50，之后在氦气载气的吹扫下，经过一级浓缩的氢氚和氦气的混合气体进入低温色谱分离系统5，色谱柱浸泡在液氮内，温度保持在77k，色谱柱内装填的多孔筛材料进行氢氚分离，这主要利用氢和氚在多孔材料上由于吸附作用力的差异而导致的析时间差，如图3所示，之后绝大部分氢气随载气he先从色谱柱析出，进入膜分离系统4后he和氢氚气体分开，氢氚气体返回精馏柱2，he气循环使用；氚和极少量氢气随后在色谱柱析出，进入氚储存系统。
47.本发明公开的聚变堆低氚滞留氢同位素分离装置最后一级分离浓缩采用低温色谱分离工艺，氢同位素全部保持气态形式，与精馏过程相比，没有液态形式的大量氚滞留；载气he气循环使用节约成本及资源。