[发明专利]一种氢氦分离与氢同位素浓缩耦合系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于同位素分离及浓缩应用领域，具体设计一种用于氦氢分离和氢同位素浓缩的双功能耦合系统，分别采用低温吸附和空间维度控温的方法，实现氢氦分离和重同位素气体的浓缩，较好地简化了现有复杂工艺，减轻了氚工厂氢同位素分离系统负荷，可推广用于聚变反应堆氘氚核燃料循环、裂变反应堆的氚生产和含氚废气的处理等领域。

背景技术

聚变能源堆的氚增殖包层和裂变产氚堆均需要从提氚载气中回收微量氢同位素气体，并将氢同位素气体中的重核素氚分离出来作为热核燃料。

国际热核聚变实验堆（ITER）的氚增殖包层模块采用氦掺氢（0.1%H₂/He）常压吹洗提取氚的设计思路，利用低温分子筛床吸附氢同位素气体Q₂（H₂，HT和T₂），氦气流出后回收；低温分子筛床吸附饱和后，加热解吸（373K），热释气体（Q₂）被输送到氚工厂进行氢同位素分离，得到浓缩氚。氚工厂一般采用低温精馏技术分离大规模氢同位素气体，该技术安全要求高，装置造价及运行费用贵。目前世界上主流的提氚工艺主要是低温物理吸附，该方法能简单实现氢氦混合气体的分离，安全性和可靠性已经过大量实验验证，并成功用于裂变反应堆在线产氚。但是，聚变能源堆全包层提氚载气的处理量将达到10⁴ m³~10⁵m³/批次，初分离后的氢同位素气体仍然超过百立方，后续输送到氚工厂进行浓缩处理，成本较高。

中国发明专利（专利号：CN2014106120524）公开了一种氢氦混合气体分离与回收装置，其特点是：所述装置中的高浓度氢氦混合气体与膜分离器连接，膜分离器分别与低温吸附床、氢气储罐连接；中等浓度氢氦混合气体与低温吸附床连接，低温吸附床分别与膜分离器、催化氧化床、氦气储罐连接，催化氧化床分别与氦气储罐和水储罐连接；低浓度氢氦混合气体与催化氧化床连接，催化氧化床分别与氦气储罐和水储罐连接。采用本发明的装置，能够实现不同体积浓度的氢氦混合气体的分离与回收，但是各种级联技术存在重氢同位素滞留量较大、装置庞大、工艺过程复杂和投资高等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种氢氦分离与氢同位素浓缩耦合系统，本发明要解决的另一个技术问题是提供一种氢氦分离与氢同位素浓缩耦合方法。本发明改进了现有的低温吸附分离氢氦混合气的方法，同时增加吸附分离柱的空间维度控温方法，采用低温物理吸附法分离大量氦气后，程序加热分离柱，并在分离柱空间维度上制造梯度温度分布，氢同位素气体在解吸扩散过程中实现重核素的富集，可根据要求从吸附分离柱流出物中收集不同组成的氢同位素气体产品。分离出来的重氢同位素气体可浓缩两个量级，氢氦混合气减容三个量级，大大减轻氚工厂氢同位素分离系统的负荷。

本发明的上述技术问题是通过一种具有如下结构的氢氦混合气分离和氢同位素浓缩耦合系统而解决的，该系统包括：氢氦混合气原料容器、吸附分离柱、控温箱、气相色谱、氦气回收容器、氢气容器、重氢容器、真空泵组和回流泵。氢氦混合气容器后端接吸附分离柱；吸附分离柱整体立式放入控温箱中；吸附分离柱的出气口接1台气相色谱；氦气回收容器、氢气容器和重氢容器并排连接在气相色谱取样点的后端，主管路系统采用不锈钢三通连接；真空泵组接在本发明系统的尾端；回流泵连接在氦气回收容器与氢氦混合气原料容器之间，将分离的氦气返回至氢氦混合气原料容器或氚增殖包层。

所述的氢氦分离与氢同位素浓缩耦合方法，是将吸附分离柱装填吸附材料后，整体放入控温箱中，活化后加入液氮冷却至77K~80K；然后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；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；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200K，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；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。