[发明专利]一种氢氦分离与氢同位素浓缩耦合系统及方法

权利要求书

1.一种氢氦分离与氢同位素浓缩耦合系统，包括氢氦混合气原料容器（1）、吸附分离柱（2）、控温箱（3）、气相色谱（4）、氦气回收容器（5）、氢气容器（6）、重氢容器（7）、真空泵组（8）和回流泵（9）；其特征在于：原料气由氢氦混合气原料容器（1）进入吸附分离柱（2）；吸附分离柱（2）立式放入控温箱（3）中；吸附分离柱（2）的出气口接1台气相色谱（4）；氦气回收容器（5）、氢气容器（6）和重氢容器（7）并排连接在气相色谱（4）取样点的后端，主管路系统采用不锈钢三通连接；真空泵组（8）接在系统的尾端，为整个系统提供负压，并抽出杂质气体；回流泵（9）连接在氦气回收容器（5）与氢氦混合气原料容器（1）之间，将分离的氦气返回至氢氦混合气原料容器（1）或氚增殖包层。

2.一种用于权利要求1所述的氢氦分离与氢同位素浓缩耦合系统的方法，包括以下步骤：

a．将吸附分离柱填入氢气吸附材料后，整体放入控温箱（3）中，活化后加入液氮冷却至77 K~80 K；

b．将氢氦混合气通入吸附分离柱，氢同位素气体吸附于分离柱中，氦气通过分离柱后排出进入氦气回收容器；

c．气相色谱在线监测吸附分离柱流出物的氢氦含量，当氢浓度上升时，停止进样；

d．设置控温箱加热参数，从空间维度上逐级加热吸附分离柱至200 K，液氮受热蒸发，同时向吸附分离柱的进口端中通入少量氦气或出口端抽至负压，氢同位素气体逐渐从吸附分离柱中流出；

e．气相色谱在线监测吸附分离柱流出物的氢同位素气体组成，根据分析数据，采用中心切割法分段收集流出物至氢气容器和重氢容器中，余气返回至氢氦混合气原料容器（1）。

3.根据权利要求2所述的氢氦分离与氢同位素浓缩耦合系统的方法，其特征在于：步骤a中分离柱形状为螺旋管状，氢气吸附材料是5A分子筛、碳分子筛和三氧化二铝。

4.根据权利要求2所述的氢氦分离与氢同位素浓缩耦合系统的方法，其特征在于：步骤a中吸附分离柱的活化采用真空泵（8）抽至负压0.1 Pa~10 Pa，573 K加热12 hr以上。

5.根据权利要求2所述的氢氦分离与氢同位素浓缩耦合系统的方法，其特征在于： 步骤c中的气相色谱采用在线分析氢同位素组成的气相色谱仪。

6.根据权利要求2所述的氢氦分离与氢同位素浓缩耦合系统的方法，其特征在于：步骤d中逐级加热分离柱，分离柱是从上至下可以设置5级~10级，每级间隔10K~15K，升温速率1K/min ~10 K/min，液氮面蒸发速度0.2 cm/min ~1 cm/min。

7.根据权利要求2所述的氢氦分离与氢同位素浓缩耦合系统的方法，其特征在于：步骤d中通入少量氦气的流量小于氢氦混合气原料流量的1/100。

8.根据权利要求2所述的氢氦分离与氢同位素浓缩耦合系统的方法，其特征在于：步骤e中采用气相色谱在线监测吸附分离柱流出物的氢同位素气体组成，H₂含量为97%及其以上时，流出物进入氢气容器（6）；HD、D₂、HT含量为10%及其以上时，流出物进入重氢容器（7）。

9.根据权利要求2所述的氢氦分离与氢同位素浓缩耦合系统的方法，其特征在于：步骤e中的中心切割法是根据气相色谱分析数据绘制成流出物浓度曲线，在不同氢同位素气体含量的波峰与波谷之间转切控制阀，控制同位素组成的丰度。