[发明专利]一种回转式低温氢同位素分离系统及分离方法

说明书

本发明公开一种回转式低温氢同位素分离系统及分离方法，解决现有技术中建造复杂、参数控制复杂、运行成本高，或需氦气供给、氢氦分离及分离柱再生处理复杂，或钯置换色谱填料昂贵且易于失效等问题。分离系统包括低温槽，回转架，分离柱，原料氢储罐，轻同位素储罐，重同位素储罐，真空泵和尾气储罐。分离方法为将吸附有原料氢的分离柱逐个脱离液氮液面解吸出氢同位素以完成其余分离柱内氢同位素的重排；最后从回路远、近端分别收集轻、重同位素。本发明创造性地利用模拟移动床技术原理，氢同位素可以在闭环分离回路内连续循环流动，重同位素浓度从分离回路中发生解吸的近端到远端逐渐降低，且重同位素的浓度梯度随吸附/解吸次数增加不断增大。

技术领域

本发明涉及核技术应用领域，具体涉及一种回转式低温氢同位素分离系统及分离方法。

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。

低温精馏法利用不同氢同位素分子的沸点差异进行分离。氢同位素的六种分子(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，其中H₂最高，T₂最低。以液氦为制冷源，使低温精馏柱在液氢温度下运行来实现同位素分离。低温精馏法存在分离系统结构和工艺操作复杂，以及能耗高、分离系统氚贮留量大、系统建设和运行成本高等缺点。

低温色谱法利用低温吸附材料的色谱效应进行分离。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。

钯置换色谱法利用钯在形成氢化物时的同位素效应进行同位素分离。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。目前细分方法有钯热置换色谱及热循环吸附等。该方法的缺点是要采用价格昂贵的钯作为分离柱填料，并且分离过程反复的吸氢、放氢会使分离材料钯的吸氢特性发生不良变化，例如分离材料粉化、钯与钯载体材料相互作用导致吸氢特性改变等，分离柱的有效寿命短。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种回转式低温氢同位素分离系统及分离方法，解决现有技术中低温精馏法系统建造复杂、参数控制复杂运行成本高，低温色谱法需要氦气供给、氢氦分离及分离柱再生处理复杂，钯置换色谱填料昂贵且易于失效等问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：