[发明专利]一种置换色谱氢同位素富集分离方法

说明书

本发明公开了一种置换色谱氢同位素富集分离的方法，包括以下步骤：（1）降温：将分子筛柱制作成螺旋状盘管，在一容器中盛装液氮，分子筛柱全部浸入到液氮中，让分子筛温度保持在液氮温度；（2）吸附：向分子筛柱中通入氢气，计量通入分子筛的氢气量，当分子筛内的气压达到一定的压力以后，停止通入氢气；（3）升温分离：将螺旋状的分子筛柱向上提拉，使分子筛柱脱离液氮液面，利用空气对分子筛柱进行加热；控制分子筛柱提出液氮液面的速度为0.5‑5cm/min；（4）检测和收集：对于分子筛柱排出的氢气，在后端使用氢氧复合器将氢气氧化为液态水，然后使用磁质谱检测其中的氘丰度。本发明的置换色谱氚富集分离方法，控制的降温与升温过程中的变化具有连续性，分离氢同位素的效率极高，分离效果好。

技术领域

本发明属于分离纯化工艺领域，涉及一种同位素分离方法，特别涉及一种氢同位素分离方法。

背景技术

超导托卡马克的核聚变反应堆被认为是最具实际应用潜力的核聚变反应堆，可以实现极低的辐射污染的绿色核能技术，全世界的各个国家都投入了大量的人力物力进行应用研究。作为核聚变反应堆燃料的氢同位素——氘和氚在研究应用中的需求量极大，而且一旦热核聚变反应堆正式投入生产应用，现有的氘和氚的产量将会成为限制热核反应堆应用的关键因素。

氢同位素氘和氚一般都是均匀的分散在天然含氢原材料中，普通的氢气中也含有微量的氚。而普通的氢气以其特有的高纯度特点，可以直接分离得到聚变反应所需要的氘和氚，已有部分研究表明通过液闪分离方法可以获得较高纯度的氘和氚，但是具体的分离方法还没有确切的可工业化实行的方案。

富集分离技术中又以低温精馏氢同位素分离方法的效率最高，不仅具有处理量大、设备紧凑分离因子较大的优点，而且分离过程中产生的成本较低，应用潜力大。现有的富集分离技术中，主要是包括应用反应器、电磁加热器等部件，反应过程中的需要对分离部件进行加热与再生，其中应用的加热部分与反应器之间的配合关系主要是全面直接加热。

直接加热过程中对于系统的升温速度较快，但加热的时候是全面的全部件加热，导致分离时对于系统的氢同位素的分离速率缺少连续性可控效果。分离过程中，对于各项分离状态参数的调整精度较低，仅仅从大的理论上分析了低温精馏分离过程中的分离效果，没有对于低温精馏分离的时候的全面精确研究，对于以后的实际推广应用中的效率提升研究帮助有限，或者说，无法更好的发挥低温精馏分离氢同位素的分离效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中缺少可行的高效氢同位素分离技术，提供一种置换色谱氢同位素富集分离方法。本发明的方法可以高效快速的从天然纯氢气中分离得到氢的同位素——氘和氚，具有实施简单方便高效的特点，能够有效地改善氘氚分离富集困难的问题，为热核聚变反应堆提供充足的反应燃料。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种置换色谱氢同位素富集分离的方法，包括以下步骤：

(1)降温：将分子筛柱制作成螺旋状盘管，在一容器中盛装液氮，分子筛柱全部浸入到液氮中，让分子筛温度保持在液氮温度；

(2)吸附：向分子筛柱中通入氢气，计量通入分子筛的氢气量，当分子筛内的气压达到一定的压力以后，停止通入氢气。其中，气压优选控制为一个大气压，对于设备的要求更低，更易实施，且分离效果较好。所述氢气含有天然丰度的氘/氚。

(3)升温分离：将螺旋状的分子筛柱向上提拉，使分子筛柱脱离液氮液面，利用空气对分子筛柱进行加热。最好是缓慢的提拉分子筛柱，使分子筛柱的温度缓慢升高。在提拉的过程中，螺旋状的分子筛柱借助空气加热实现热分离，特别是可以实现分段加热，使得分子筛柱的温度分段逐渐升高。控制分子筛柱提出液氮液面的速度为0.5-5cm/min，优选提拉速度为1-2.5cm/min，缓慢的完成分子筛柱的加热过程。