一种低温等离子体增强水去氚装置及去氚方法与流程

本发明属于氚水处理领域，具体涉及一种低温等离子体增强水去氚装置，还涉及一种基于该装置的去氚方法。

背景技术：

1、水去氚技术在含氚重水提氚升级、含氚废水处理及重水生产等领域被广泛使用，在内陆核电站含氚废水去氚、乏燃料后处理厂含氚废水去氚以及聚变堆包层冷却水氚的回收等领域有巨大的应用前景。该技术的核心是氢-水同位素交换反应，其实质上是氢与水在气(汽)相环境下进行的交换反应，以h2和hto为例，其交换反应可以表示为：

2、

3、氢-水同位素交换反应通常反应速度较慢，必须在催化剂条件下才能快速实现交换，并达到反应平衡。依据使用环境，可以采用不同的催化剂，相应的也开发出多种能够实现氢-水同位素交换反应的装置，并逐渐发展了汽相催化交换(vpce)、液相催化交换(lpce)以及联合电解催化交换(cece)等多种技术。

4、其中，lpce和cece装置中lpce柱内的氢-水同位素交换反应是影响水去氚的关键，水去氚的转化效率主要由疏水催化剂的催化性能以及填料的传质性能决定。其中，由于lpce反应柱内水蒸气含量较大，疏水催化剂中的活性组分容易被水膜或水滴包覆，造成“水中毒”，从而丧失催化能力，使得水去氚性能下降。基于上述原因，为了保证反应的传质的功能，故必须加入高亲水性能的填料，这将造成lpce柱内填充两种不同作用的材料，空间利用率受到影响。此外，由于lpce和cece装置中，反应温度都小于100℃，基于氢-水同位素交换反应疏水催化剂只能将h2进行解离，常规催化剂很难在该温度下实现蒸气相hto分子的解离，从而使得lpce柱内的同位素交换效率不高。

5、因此，如何解决lpce柱内疏水催化剂的“水中毒”现象，实现催化剂催化与传质性能一体化以及在氢-水同位素交换反应中实现氢与水双催化，是进一步提升lpce及cece装置水去氚性能的关键。

技术实现思路

1、为达此目的，提出了一种低温等离子体增强水去氚装置和去氚方法。

2、一种低温等离子体增强水去氚装置，所述低温等离子体增强水去氚装置整体为柱式结构，从柱式结构的中心向外同轴设置内电极、反应管以及外电极，三者构成双介质阻挡放电结构；

3、其中，内电极包括管状介质层以及位于管状介质层内的金属电极，所述管状介质层的材质为无机物；所述金属电极与低温等离子体电源相连；

4、所述反应管为氢-水交换反应的场所，其材质为无机物材质；所述反应管和内电极的两端与法兰连接，所述法兰材质为无机物材质；所述其中顶端法兰中设置有进水通道和排气通道，分别用于原料水的注入和产品气的排出；所述底端法兰中设置有进气通道和排水通道，分别用于原料气的注入和产品水的排出；

5、所述外电极包覆设置于反应管外表面，所述外电极接地。

6、可选的，所述反应管内还填充有填料，所述填料形状为三角螺旋、狄克松环、玻璃弹簧中一种或多种；所述填料尺寸要求：小于单边放电间隙的一半；所述填料材质要求为不导电无机物且介电常数≥3。

7、可选的，所述反应管材质、顶端法兰和底端法兰材质为石英玻璃、氧化铝、陶瓷。

8、可选的，所述外电极为金属箔或金属筛网。

9、可选的，所述外电极为与反应管同轴的柱状夹层结构，所述夹层结构包括壳体和壳体内部的导电液；

10、可选的，所述导电液通过加热-制冷循环机循环控温，从而间接调控反应管内的温度；

11、可选的，顶端法兰上部设置有冷凝器，用于冷凝产品气中的h2o。

12、可选的，所述低温等离子体电源连接，电源类型为直流高频、交流高频、调制脉冲或脉冲电源，输出电压≥3kv，频率1khz～30khz可调；其中调制脉冲或脉冲占空比1％-99％可调。

13、一种低温等离子体增强水去氚方法，其步骤包括：

14、s10原料水净化

15、净化除原料水中颗粒物、离子、有机物，净化后纯度要求：电阻值需≥1mω；

16、s20通氢排氢

17、通过低温等离子体增强水去氚装置底端的进气通道向低温等离子体增强水去氚装置中通入高纯原料气h2以替换装置中的原有气体，要求高纯原料气h2的浓度≥99.99％；

18、s30等离子体反应

19、调节低温等离子体电源，最大输出电压达到20kv，确保双介质阻挡放电结构正常工作；

20、s40气液逆流反应

21、从低温等离子体增强水去氚装置顶端的进水通道持续通入净化后的原料水，从低温等离子体增强水去氚装置底端持续通入高纯原料气，使原料水和原料气在反应管内，进行气液逆流反应；

22、s50收集产品

23、使用液闪检测产品水中的氚浓度，使用电离室对产品气的氚浓度进行监测。

24、可选的，步骤s40中气液逆流反应中的气液比为1∶(0.5～5)；

25、本发明的有益效果：(1)低温等离子体技术引入，可实现氢气和部分水蒸气分子的离解，增强氢-水同位素交换反应的效率。由于低温等离子体技术的加入，在lpce柱内的反应腔内会产生高能电子，高能电子能够活化氢气及水蒸气，而高能电子及氢离子等都具有一定的穿透性，因此能与水膜下的填料接触，使得填料也能起到一定的催化作用，实现氢气与水蒸气双催化以提升同位素交换效率，解决了通常意义上催化剂“水中毒”的问题。(2)lpce柱内可以使用亲水性填料来同时充当填料和催化剂的功能，在低温等离子体技术的作用下，填料还能起着高效传质的作用，既能够实现催化及传质一体化，这将极大提升反应管内的空间利用率，并进一步提升氢-水同位素交换的效率。(3)利用低温等离子体增加催化反应，能够改变原有反应中需要疏水催化剂加上亲水填料的模式，在传统反应中填料负责传质，疏水催化剂负责催化反应，两者在不同的物质上进行效率较低，利用低温等离子体技术不仅能够使本身没有催化活性的填料具备一定的催化活性，还使得传质与反应在同一物质上进行，大幅度提升效率；(4)低温等离子体技术与填料协同配合，能够不在使用贵金属(pd、pt),大幅度降低反应成本。

技术特征：

1.一种低温等离子体增强水去氚装置，其特征在于，所述低温等离子体增强水去氚装置整体为柱式结构，从柱式结构的中心向外同轴设置内电极、反应管以及外电极，三者构成双介质阻挡放电结构；

2.根据权利要求1所述的低温等离子体增强水去氚装置，其特征在于，所述反应管内还填充有填料，所述填料形状为三角螺旋、狄克松环、玻璃弹簧中一种或多种；所述填料尺寸要求：小于单边放电间隙的一半；所述填料材质要求为不导电无机物且介电常数≥3。

3.根据权利要求1所述的低温等离子体增强水去氚装置，其特征在于，所述反应管材质、顶端法兰和底端法兰材质为石英玻璃、氧化铝、陶瓷。

4.根据权利要求1所述的低温等离子体增强水去氚装置，其特征在于，所述外电极为金属箔或金属筛网。

5.根据权利要求1所述的低温等离子体增强水去氚装置，其特征在于，所述外电极为与反应管同轴的柱状夹层结构，所述夹层结构包括壳体和壳体内部的导电液。

6.根据权利要求1所述的低温等离子体增强水去氚装置，其特征在于，所述导电液通过加热-制冷循环机循环控温，从而间接调控反应管内的温度。

7.根据权利要求1所述的低温等离子体增强水去氚装置，其特征在于，顶端法兰上部设置有冷凝器，用于冷凝产品气中的h2o。

8.根据权利要求1所述的低温等离子体增强水去氚装置，其特征在于，所述低温等离子体电源连接，电源类型为直流高频、交流高频、调制脉冲或脉冲电源，输出电压≥3kv，频率1khz～30khz可调；其中调制脉冲或脉冲占空比1％-99％可调。

9.基于权利要求1～8中任意一项所述的低温等离子体增强水去氚装置的去氚方法，其步骤包括：

10.根据权利要求9所述的去氚方法，其特征在于，所述步骤s40中气液逆流反应中的气液比为1∶(0.5～5)。

技术总结
本发明公开了一种低温等离子体增强水去氚装置和去氚方法。该装置引入了双介质放电结构和等离子电源实现等离子体放电，首次将等离子技术应用到传统的去氚装置和去氚方法中，解决传统液相催化交换柱内疏水催化剂的“水中毒”现象。该装置和方法不仅能单独使用，还能与传统填料协同作用，实现催化与传质性能一体化以及在氢‑水同位素交换反应中实现氢与水双催化，进一步提升了液相催化交换水去氚性能。

技术研发人员：李佳懋,肖成建,陈超,侯京伟,刘胜,周林,王君妍,叶明天,祁建敏,岳磊,赵林杰,王和义,黄洪文
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院核物理与化学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14