[发明专利]一种低温置换色谱氢同位素分离装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于核技术应用领域，具体涉及一种低温置换色谱氢同位素分离装置及方法，本发明用于氢同位素组分氕（H）、氘(D)、氚(T)的分离。

背景技术

氢同位素分离是聚变反应堆氘氚核燃料循环的核心技术之一，通过同位素分离，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分离需求，目前已经发展了一系列的氢同位素分离技术，包括低温精馏（LHD）、低温色谱（GC）和钯置换色谱等。

氢同位素混合气体中存在六种分子，H₂、HD、D₂、DT、HT和T₂，在20K-25K温度范围内，它们的沸点存在微小差别，因此可以用传统的精馏方法将它们分离。由于这种方法具有分离能力大和连续分离的特点，在国际热核聚变反应堆（InternationalThermalExperimentalReactor,ITER）配套氚工厂中的托克马克等离子排出气处理系统（theTokamakExhaustProcessing，TEP）、水去氚化系统（WaterDetritiatedSystem，WDS）、和空气去氚化系统（RoomairDetritiationSystem,RDS）中得到了应用。此外，加拿大上个世纪建立DTRF重水堆重水氚提取工厂，其中的氢同位素分离工序用的就是低温精馏方法。但低温精馏柱分离柱必须以液氦为制冷源，在液氢温度下运行，且存在分离系统结构和工艺操作复杂，和有能耗高、分离系统氚贮留量大、系统建设和运行成本高等缺点。

低温色谱法氢同位素分离方法是一种小型的工业规模氢同位素分离方法，国内外都有很多的研究报道。相关的文献报道包括：1）VogdR,RingelH,SchoberT.Gaschromatographicseparationofhydrogenisotopesonmolecularsieves.FusionTechnolgy,1988,14:574；2）ChehCH,ChewVS,WengC,etal.Advancedgaschromatographicsystetmtesting[J].FusionTechnology,1995,28(3):561；3）WeichselgarterH,FrischmuthH,PerchermeierJ,etal.Optimizationofalarge-scalegaschromatographforseparatingtritiumandDTfromotherHisotopesNuclearTechnology/Fusion,1983,4:687；5）RartlitJR,etal.Hydrogenisotopedistillationforthetritiumsystemstestassembly:LA-UR-78-1325[R].1978等。当氦气通过液氮温度下（-196℃）、预吸附有氢同位素混合气体的5A分子筛分离柱时，由于低温下分子筛对氢同位素混合气体中的不同组分的吸附能力不同，当分离柱足够长时，流出气体中将依次出现H₂、HD、HT、D₂、DT和T₂完全分开的六种氢同位素分子的峰，分离柱越长，峰之间的间距越大。在不同时段分别在峰位收集，则可以得到六种不同的氢同位素气体。这种分离方法的缺点是，分离必须在液氮温度下进行，冷却分离柱须消耗大量液氮，能耗较高，且单次分离的产品气提取比例较低。

金属钯有很强的氢同位素分离效应，与重同位素组分氘（D）和氚（T）比较，轻的同位素组分氕（H）更容易与金属钯反应生成更稳定的固态钯氢化物，当达到平衡时，气相中重同位素组分的分压力相对较高，且温度越低，分离效应越大。因此可以利用金属钯氕化物、钯氘化物和钯氚化物的这一特点分离氢同位素，即钯置换色谱氢同位素分离。置换色谱又可细分为以氕为载气的“氕置换色谱”，和以原料气中的氕为置换气体的所谓“自置换色谱”。