本发明属于氘氚聚变燃料循环领域，具体涉及一种聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理装置及处理方法。
背景技术：
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。氘氚燃料“自持”循环是聚变能源商业化应用的前提。由于聚变装置中氘氚的反应率很低，大量未反应的氘氚存在于等离子体放射性尾气中，从安全、环保、经济及氘氚燃料“自持”角度出发，必须对放射性尾气进行处理，对其中的氘氚燃料进行回收。同时由于聚变能源应用的要求，聚变堆氚工场必须具有小型化和高时效的特点。
目前国际热核聚变实验堆（iter）对聚变产生的放射性尾气主要是通过低温泵抽出，然后输入到放射性尾气处理系统进行处理，再由放射性尾气处理系统输送到氢同位素分离单元，最后由氢同位素分离单元输送到储存于供给单元完成氚燃料的循环。聚变反应堆放射性尾气的具体组成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（记为q2，q2是指由氢元素的三种同位素组成的单质，含六种：h2、hd、ht、d2、dt、t2），小部分为化合态（如氚代甲烷、氚水等）。由于聚变堆所产生的放射性尾气种类复杂且数量巨大，目前的处理流程过程繁琐，而且各单元处理量大，因此放射性尾气处理时间长，从而限制了聚变堆的氚“自持”。
由于聚变堆通过低温泵将聚变装置中氘氚抽入到tep系统中，因此目前人们开始考虑如何通过低温泵对放射性尾气进行初级处理，从而降低tep系统处理时间和减少tep系统的尺寸。
目前，国际上主要发展了以下技术：
一、德国卡尔斯鲁厄理工学院（kit）低温泵预分离装置：
1995年kit提出了利用低温泵进行放射性尾气预分离装置，从而减小放射性尾气处理单元尺寸。该套装置特点为两个低温泵串联，聚变反应发生后，第一个级低温泵将放射性尾气抽入到其低温腔室内，然后第二个低温泵将气体从第一个低温泵内抽出。第二个低温泵含有三个温度不同的低温腔室，第一个腔室为20k用于冷冻杂质气体；第二个腔室5k，用于冷冻氢同位素气体；第三个腔室内添加活性炭，温度5k，用于吸附he。利用该种方法可以将90%的氢同位素直接回收到燃烧室内。
但是，该项技术具有以下缺点：
1.该种方法最大不足在于需要两个大型低温泵，同时第二个低温泵还有三个不同的低温室，这就造成了该套低温泵体积巨大，制冷成本和运行成本极高，氚滞留极其严重，从而大大影响了聚变堆的氚自持。
2.该种方法气体低温吸附后解吸过程需要统一将三个低温腔室升温到高温，造成了各个腔室之间温度交叉严重，解吸温度很难控制，而且各温室之间的阻隔材料极难选择。
二、英国阿宾顿（abingdon）三级低温泵：
2013年英国abingdon提出了利用三级低温泵进行放射性尾气预分离装置，从而减小放射性尾气处理单元尺寸。该套装置特点为一个低温泵内，还有三个不同冷板，一级冷板温度80k，用于冷冻杂质气体；二级冷板粘有活性炭，温度15-22k用于吸附氢同位素气体；三级冷板念有活性炭，温度4.5k用于吸附he。利用该种办法氢同位素的回收效率为85%-90%。
但是，该项技术具有以下缺点：
1.该种方法最大不足在于该套装置二级冷板粘有活性炭，通过低温吸附回收氢同位素气体。通过该种方法虽然可以有效的吸附氢同位素，但是活性炭吸附氢同位素后，解吸温度较高，而且很难解吸完全，从而影响氢同位素气体回收率。
2.由于该种方法制冷采用三级冷板但是由单一冷源提供冷量，这种供冷方式三级冷板很难保证温度达到设定要求，该种方法控温及其困难。
技术实现要素：
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理方法。
本发明的聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理装置包括一级制冷单元、二级制冷单元、三级制冷单元，每级制冷单元均含有制冷机和冷板，其中，一级制冷单元的冷板为一级冷板，二级制冷单元的冷板为二级冷板，三级制冷单元的冷板为三级冷板；所述的一级冷板、二级冷板和三级冷板均安装于辐射屏蔽箱内，辐射屏蔽箱的内壁涂有阻氚涂层，辐射屏蔽箱置于真空室内；所述的三级制冷单元中的三级冷板还安装有活性炭吸附层。
本发明的聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理方法依次包括如下步骤：
a.分离系统预抽真空；
b.放射性尾气一级冷凝；
c.放射性尾气二级冷凝；
d.放射性尾气三级冷凝-吸附；
e.放射性尾气三级解吸；
f.放射性尾气二级解吸；
g.放射性尾气一级解吸；
h.放射性尾气多级同时加热解吸。
所述的步骤a中的分离系统预抽真空是指将真空室抽真空并控制真空室的真空度范围为10-3至10-5pa；
所述的步骤b中的放射性尾气一级冷凝是将放射性尾气输入到辐射屏蔽箱内，同时控制一级制冷单元的一级冷板温度为70k-80k，一级制冷单元的制冷剂为液氮；
所述的步骤c中的放射性尾气二级冷凝是将一级制冷单元冷凝过的气体流入到二级制冷单元，同时控制二级制冷单元的二级冷板温度为10k-20k，二级制冷单元的制冷剂为氦气；
所述的步骤d中的放射性尾气三级冷凝-吸附是将二级制冷单元冷凝过的气体流入到三级制冷单元，同时控制三级制冷单元的三级冷板温度为4.2k-10k，三级制冷单元的制冷剂为液氦；
所述的步骤e中的放射性尾气在三级解吸是首先将三级制冷单元的三级冷板加热温度至20k-30k，解吸出来的气体抽出并传输到外部的氚储存输运系统；
所述的步骤f中的放射性尾气在二级解吸是随后将二级制冷单元的二级冷板加热温度至15k-110k，解吸出来的气体抽出并传输到外部的氚储存输运系统；
所述的步骤g中的放射性尾气在一级解吸是继续将一级制冷单元的一级冷板加热温度至80k-320k，解吸出来的气体抽出并传输到外部的放射性尾气处理单元；
所述的步骤h中的放射性尾气多级同时加热解吸是最后将三级制冷单元的三级冷板、二级制冷单元的二级冷板和一级制冷单元的一级冷板同时加热温度至320k，解吸出来的气体传输到外部的放射性尾气处理单元。
所述的步骤b中冷凝气体为放射性尾气中大量的cq4（q为h/d/t）、q2o（q为h/d/t）、co、co2等冷凝温度大于77k的气体。
所述的步骤c中冷凝气体为放射性尾气中大量的q2（q为h/d/t）等冷凝温度大于10k小于20k的气体，及少量的cq4（q为h/d/t）、q2o（q为h/d/t）、co、co2等冷凝温度大于77k的气体。
所述的步骤d中三级冷板上采用单面或者双面方式粘结有活性炭吸附层。冷凝-吸附气体为放射性尾气中大量的he等冷凝温度大于4.2k小于10k的气体，和放射性尾气中少量的q2（q为h/d/t）等冷凝温度大于10k的气体。
所述的步骤e中放射性尾气的三级解吸，解吸的是步骤d中所述的冷凝-吸附的气体。
所述的步骤f中放射性尾气的二级解吸，解吸的是步骤c中所述的冷凝气体，和少量步骤e中未解吸出来的气体。
所述的步骤g中放射性尾气的一级解吸，解吸的是步骤b中所述的冷凝气体，和少量步骤f中未解吸出来的气体。
所述的步骤h中放射性尾气的多级同时加热解吸，解吸的是解吸步骤e、步骤f和步骤g中未解吸出来的气体。
本发明的聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理装置及处理方法具有以下优点：
1.本发明的聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理装置及处理方法通过放射性尾气三级解吸和放射性尾气二级解吸，将聚变所产生的放射性尾气体直接输送到氚储存于供给单元，大大减少了聚变堆内循环氚处理的时间，增加了聚变堆的实效性，同时减少了首炉投氚量。
2.本发明的聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理装置及处理方法只有放射性尾气一级解吸和放射性尾气多级同时加热解吸的气体进入到放射性尾气处理单元，大大减少了放射性尾气处理单元的处理量，减少了放射性尾气处理单元的建造及运行成本。
3.本发明的聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理装置及处理方法采用三个制冷机提供冷量，冷量分配更容易实现，减少了系统建造难度。
4.本发明的聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理装置及处理方法只有三级制冷单元中的三级冷板上粘有活性炭材料，大大减少了由于活性炭吸附所产生的氚滞留问题。
5.本发明的聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理装置的及处理方法的三个制冷单元采用独立控温方式，温度交叉小，可以更有效的控制吸附-解吸气体。
本发明的聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理装置和处理方法可以显著提升聚变反应产生的等离子体放射性尾气处理效率。
附图说明
图1为本发明的聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理装置的结构示意图；
图中，1.一级制冷单元2.二级制冷单元3.三级制冷单元4.一级冷板5.二级冷板6.三级冷板7.辐射屏蔽箱8.真空室。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1所示，本发明的聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理装置包括一级制冷单元1、二级制冷单元2、三级制冷单元3，每级制冷单元均含有制冷机和冷板，其中，一级制冷单元1的冷板为一级冷板4，二级制冷单元2的冷板为二级冷板5，三级制冷单元3的冷板为三级冷板6；所述的一级冷板4、二级冷板5和三级冷板6均安装于辐射屏蔽箱7内，辐射屏蔽箱7的内壁涂有阻氚涂层，辐射屏蔽箱7置于真空室8内；所述的三级制冷单元3中的三级冷板6还安装有活性炭吸附层。
本发明的聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理方法依次包括如下步骤：
a.分离系统预抽真空；
b.放射性尾气一级冷凝；
c.放射性尾气二级冷凝；
d.放射性尾气三级冷凝-吸附；
e.放射性尾气三级解吸；
f.放射性尾气二级解吸；
g.放射性尾气一级解吸；
h.放射性尾气多级同时加热解吸；
所述的步骤a中的分离系统预抽真空是指将真空室8抽真空并控制真空室8的真空度范围为10-3至10-5pa；
所述的步骤b中的放射性尾气一级冷凝是将放射性尾气输入到辐射屏蔽箱7内，同时控制一级制冷单元1的一级冷板4温度为70k-80k，一级制冷单元1的制冷剂为液氮；
所述的步骤c中的放射性尾气二级冷凝是将一级制冷单元1冷凝过的气体流入到二级制冷单元2，同时控制二级制冷单元2的二级冷板5温度为10k-20k，二级制冷单元2的制冷剂为氦气；
所述的步骤d中的放射性尾气三级冷凝-吸附是将二级制冷单元2冷凝过的气体流入到三级制冷单元3，同时控制三级制冷单元3的三级冷板6温度为4.2k-10k，三级制冷单元3的制冷剂为液氦；
所述的步骤e中的放射性尾气在三级解吸是首先将三级制冷单元3的三级冷板6加热温度至20k-30k，解吸出来的气体抽出并传输到外部的氚储存输运系统；
所述的步骤f中的放射性尾气在二级解吸是随后将二级制冷单元2的二级冷板5加热温度至15k-110k，解吸出来的气体抽出并传输到外部的氚储存输运系统；
所述的步骤g中的放射性尾气在一级解吸是继续将一级制冷单元1的一级冷板4加热温度至80k-320k，解吸出来的气体抽出并传输到外部的放射性尾气处理单元；
所述的步骤h中的放射性尾气多级同时加热解吸是最后将三级制冷单元3的三级冷板6、二级制冷单元2的二级冷板5和一级制冷单元1的一级冷板4同时加热温度至320k，解吸出来的气体传输到外部的放射性尾气处理单元。
实施例1
在模拟腔室内通入90%q2（q2为h/d/t）和10%的杂质气体即he、cq4(q为h/d/t)、q2o(q为h/d/t)、co、co2等气体。按照本发明的聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理方法的步骤将低温泵预抽真空至10-3pa，控制一级制冷单元的一级冷板温度为70k-80k，二级制冷单元的二级冷板温度为10k-20k，三级制冷单元（3）的三级冷板（6）温度为4.2k-10k。待系统压力稳定后，加热三级冷板至30k，回收解吸出来的气体经质谱和色谱分析含有1%he和1%的q2（q为h/d/t）。然后加热二级冷板至110k，回收解吸出来的气体经质谱和色谱分析含有82%q2（q2为ht/dt/t2）和1%he。之后加热一级冷板至320k，回收解吸出来的气体经质谱和色谱分析含有8%的杂质气体即he、cq4(q为h/d/t)、q2o(q为h/d/t)、co、co2等气体，和2%q2（q2为h/d/t）。最后三级冷板同时加热至320k，回收解吸出来的气体经质谱和色谱分析含有1%的q2（q2为h/d/t）、和1%的杂质气体。利用本发明的三级低温泵处理装置可直接回收输送到储存于供给系统为2%he和83%q2（q2为h/d/t）；输送到放射性尾气处理单元的气体为9%的杂质气体和3%q2（q2为h/d/t），系统滞留量3%含氚气体。氚直接回收效率为92%。
实施例2
在模拟腔室内通入95%q2（q2为h/d/t）和5%的杂质气体即he、cq4(q为h/d/t)、q2o(q为h/d/t)、co、co2等气体。按照本发明的聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理方法的步骤将低温泵预抽真空至10-3pa，控制一级制冷单元的一级冷板温度为70k-80k，二级制冷单元的二级冷板温度为10k-20k，三级制冷单元（3）的三级冷板（6）温度为4.2k-10k。待系统压力稳定后，加热三级冷板至30k，回收解吸出来的气体经质谱和色谱分析含有0.5%he和2%的q2（q为h/d/t）。然后加热二级冷板至110k，回收解吸出来的气体经质谱和色谱分析含有85%q2（q2为ht/dt/t2）和0.5%he。之后加热一级冷板至320k，回收解吸出来的气体经质谱和色谱分析含有3%的杂质气体即he、cq4(q为h/d/t)、q2o(q为h/d/t)、co、co2等气体，和5%q2（q2为h/d/t）。最后三级冷板同时加热至320k，回收解吸出来的气体经质谱和色谱分析含有1%的q2（q2为h/d/t）、和1%的杂质气体。利用三级低温泵可直接回收输送到储存于供给系统为1%he和87%q2（q2为h/d/t）；输送到放射性尾气处理单元的气体为4%的杂质气体和6%q2（q2为h/d/t），系统滞留量2%含氚气体。氚直接回收效率为91.6%。