[发明专利]一种重水反应堆的含氚重水生产氦-3的系统和方法

说明书

本发明具体涉及一种在重水反应堆生产氦‑3的系统，包括重水精馏系统、气体回收系统和气体净化系统；所述重水精馏系统与气体回收系统连接，所述气体回收系统与气体净化系统连接。本发明的重水反应堆的含氚重水生产氦‑3的系统，将重水反应堆的含氚重水经重水精馏系统处理，得到浓缩高氚重水送往气体回收系统；浓缩高氚重水在气体回收系统中发生β衰，产生的氦‑3原料气送往气体净化系统；氦‑3原料气在气体净化系统中经过分离和净化，得到高纯高丰度的氦‑3气体。

技术领域

本发明涉及核技术应用技术领域，特别是涉及一种重水反应堆的含氚重水生产氦-3的系统和方法。

背景技术

氦-3的用途十分广泛，例如，氦-3用于核聚变反应堆的能源燃料，产生高效的核电，不会产生废物，其放射性也可忽略不计，将有可能成为解决今后地球人类长期能源发展需求的重要原料。氦-3用于制造氦-3中子探测器；氦-3中子探测器在国防、工业、环保、低温等方面有着重要的应用。氦-3是一种非常理想核磁共振成像样品，用于现代临床医学和化学产物结构分析时具有其它同位素无法比拟的优势。此外氦-3还可应用于考古、地质、水文等领域同位素质谱学研究，用于搜索宇宙中的暗物质，用于制造核武器原料，作为激光放大器的工质，作为表面探针，以及研究太阳活动等等。然而氦-3作为自然界中氢的两种稳定同位素之一，在自然界中的存量极少，自然氦气中的原子丰度仅为0.000137％，远远不能满足当前应用和研究的需求。

秦山三期重水反应堆机组是从加拿大引进的CANDU-6型反应堆，总装机容量2×728Mwe，用重水作慢化剂和冷却剂。重水在反应堆运行过程中受到中子的辐照生成氚，反应式为：²H+n→³H。与轻水反应堆相比，重水反应堆机组会产生更多的以DTO形式存在的氚。慢化剂系统是重水反应堆机组中氚的主要来源，每台机组装量为262吨，在正常运行期间，90％以上的慢化剂重水停留在反应堆堆芯受到中子的照射而产生氚，从而使得慢化剂重水产生的氚占到了整个电厂氚产生量的97％。慢化剂系统重水中的氚浓度变化公式为：A_T＝3.42×10¹²〔1-e^-1.99×10-9t〕(Bq/kg)，其中t为反应堆满功率运行时间。

重水反应堆核电站每年会产生大量的氚。氚是一种低毒性核素，它发射最大能量为18keV的β粒子，半衰期为12.3年，辐射的射程短，对人体的外照射危害很小。单体形态的氚分子如HT、DT、T²被肺脏组织吸收的量低于千分之一，而且通过皮肤的量也很少，因此对人体危害甚微。但氚的氧化物，如HTO、DTO、T₂O等较同等数量的单体形态氚分子有更大的危害。含氚水蒸气几乎百分之百地被肺脏组织及皮肤所吸收，并分布于全身而造成内照射。氚在体内的有效半衰期为12天。核电站排出的氚通过呼吸、皮肤渗透以及食用蔬菜、肉类和动物制品、海产品进入体内，对人体构成内照射产生全身均匀性影响。因而减少氚的排放量显得十分重要，而减少氚的排放，根本性的措施就是降低机组冷却剂和慢化剂的氚比活度。

发明内容

基于此，有必要针对重水反应堆机组的高氚重水，提供一种在重水反应堆生产氦-3的系统和方法。

为了解决上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种重水反应堆的含氚重水生产氦-的系统，包括重水精馏系统、气体回收系统和气体净化系统；所述重水精馏系统与气体回收系统连接，所述气体回收系统与气体净化系统连接。

工作原理：重水反应堆机组的含氚重水(D₂O和DTO)在重水精馏系统中经过气液传质交换，得到浓缩高氚重水送往气体回收系统；浓缩高氚重水在气体回收系统中发生β衰变，产生的氦-原料气送往气体净化系统；氦-原料气在气体净化系统中经过杂质气体去除、氦-和氦-气体分离级氢气去除(DT、T和D)，得到高纯高丰度的氦-气体。