[发明专利]一种氢同位素气体净化方法

说明书

技术领域

 本发明属于氢同位素处理技术领域，具体涉及一种氢同位素气体净化方法，本发明用于将氢同位素中的O₂、N₂、Ar、CH₄、CO₂等杂质元素高效去除，以获得纯度为99.999%以上的氢同位素气体。

背景技术

能源、经济和环境是当今人类社会可持续发展面临的三大问题，其中，能源是经济和环境可持续发展的基础。核裂变能是上世纪60年代出现的新兴能源，经过近半个多世纪的发展，目前已具有相当的规模。到20世纪末，全世界的装机容量已达到430GW，裂变能对总能源的贡献为7%。正如没有煤或天然气就不可能有传统发电厂的电力输出一样，没有完整的氘氚燃料循环也就不可能有聚变反应堆的电力输出。

氢同位素的高效、快速净化是聚变反应堆氘氚核燃料循环的核心技术之一，通过同位素净化，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净化需求，目前已经发展了一系列的氢同位素净化技术，如钯合金膜氢扩散净化器等。

钯合金膜氢扩散净化器利用了氢同位素在钯合金膜中的快速前期或扩散的特点。钯薄膜表面具有很强的吸氢能力，能使氢分子离解成氢原子溶解于钯中，并沿浓度梯度方向由表面向内扩散，并透过钯薄膜，在膜的另一端以H₂分子形态脱离膜表面。在同等条件下，其它气体分子，如O₂、N₂、Ar、CH₄、CO₂等，由于原子体积、离解能等比氢同位素分子大得多，在钯晶格中的扩散速度十分低，从宏观角度看，不能透过钯薄膜。因此，钯薄膜具有氢气的选择性透过能力。

早期，当人们发现钯-氢体系的特点后，就以纯钯膜制成渗氢膜以制取少量高纯氢。但是，纯钯膜不是一种好的渗氢膜。在室温和标准大气压力下，Pd/H体系的一个重要特征是在钯氢化物的两个面心立方晶格的不同相（α相、β相）间存在融合间隙。α_Max和β_Min的晶间距分别为0.389nm和0.402nm，对应于两相间的线尺度差为3.3%，两种固溶体的比容相差约10%。因此，当用氢气跨越融合间隙区进行吸放氢循环时，钯氢化物会反复发生α?β相间的相变。由于α相、β相晶格常数的差异，相变过程会伴随钯晶格的膨胀和收缩并产生应力，很快导致钯膜皱折破裂。因此，纯钯膜不宜作氢气净化材料。为了克服这一缺点，后来发展了一种Pd-Ag合金，银的加入主要是为了弥合室温下α相、β相间存在的融合间隙，改善合金膜的性能，这种组分的合金比纯钯具有更高的氢渗透率，能有效克服氢化循环过程中钯膜皱折破裂的缺点。对商用Pd-Ag合金的电子显微镜观测结果表明，相同条件下，氢化导致的位错密度比纯钯低得多。可是，该合金膜的缺点是强度仅比纯钯膜稍高，这意味高温下无支承的合金膜不能承受高的氢压力。近年来，钯合金膜在氚净化工艺中的应用结果表明，与材料相关联的一些缺点，如氢脆、氦脆、杂质中毒等，限制了这类合金膜在聚变反应堆核燃料净化严酷条件下的应用。

研究结果表明，可以通过多元钯合金的方式克服这些缺点。Hughes D T and Harris I R等人的研究结果表明，钯稀土固溶合金是一类很好的氢净化材料，它们是未来聚变反应堆核燃料净化材料的主要侯选材料。适量合金元素的加入，既能有效地消除α相、β相的融合间隙，增强了合金的抗氢脆、氦脆和抗杂质中毒能力，又大大改善氢渗透性能，合金的机械强度又有较大的提高，这有利于聚变反应堆核燃料净化系统的设计。例如，在钯中添加金、银、钇等元素不仅大大提高了氢渗透膜的透氢性能，也提高了氢渗透膜的高温强度。合金元素加入后，氢化物α相、β相固溶体的比容差缩小，抗氢化蠕变能力加强。例如纯钯在20～500℃间的氢气氛中加热-冷却循环，5次左右出现明显变形，而PdNi_5.5氢渗透膜加热-冷却循环可达3000次以上无明显变形。

通过上述分析可看出，钯合金膜对氢同位素有较好的选择透过性，利用这一特点，国内外一些知名的实验室均采用钯合金膜进行氢同位素气体的净化处理，只不过采用的组装结构和添加的微量元素不同而已。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种氢同位素气体净化方法。

本发明的氢同位素气体净化方法，依次包括如下步骤：a、氢同位素气体净化装置的漏率检验，充He至1.5MPa，保压60min；b、净化前的预处理；c、净化处理；d、后处理。