[发明专利]一种氘氚混合气的分离系统及方法

说明书

本发明公开了一种氘氚混合气的分离系统，所述分离系统包括分氘单元、分氚单元及补气单元，其连接关系是分氘单元与分氚单元通过气动阀III连接，补气单元与分氚单元通过气动阀II连接。所述分离方法包括步骤：(a)氘氚混合原料气的输入、(b)氘氚混合原料气在除氘柱和除氚柱之间回流振荡；(c)重复步骤(b)数次、(d)分氘单元中纯氘的输出、(e)分氚单元中纯氚的输出。本发明通过温度控制调节色谱柱的氢同位素效应和气体平衡压，实现氘在除氘色谱柱内富集，氚在除氚色谱柱内富集。本发明氘氚混合气分离方法，利用周期性升、降温实现氘氚混合气在双柱之间多次振荡，获得氘和氚的分离，利用在线微色谱监测分离后氘、氚产品气的纯度。

技术领域

本发明属于能源领域，具体涉及一种氘氚混合气的分离系统及方法。

背景技术

氚是一种十分重要的战略能源资源，在工业、国防和科学研究等领域中具有十分重要的意义。由于氕不利于氘氚聚变反应的发生，因此在ICF惯性约束聚变靶制备过程中，制靶用氘氚燃料气中的氕含量受到严格控制。为了满足上述需求，我们开展了少量氘氚的纯化研究及相关工程工作，获得了少量含氚氢同位素的除氕工艺(如，一种含氚氢同位素气体中氕的去除方法，专利公开号ZL 2018 1 0348846.2)。该工艺的缺陷是无法实现氕与氘氚的彻底分离，随着除氕次数的增加，除氕柱内的氕含量逐渐增加，达到一定浓度临界点后，氕会从除氕柱内穿透出来，造成产品气中氕含量超标。为了避免上述情况发生，必需将除氕柱内剩余氕、氘、氚混合氢同位素气体全部加热释放出来，作为废物处理，这样会造成氚资源的浪费。现有的氚与氕氘的分离装置(如W.T.Shmayda，M.D.Wittman，R.F.Earley，J.L.Reid，N.P.Redden，the Laboratory for Laser Energetics’Hydrogen IsotopeSeparation System，Fusion Eng.Des.109(2016)128-134.)利用Pd/k与分子筛双柱组合分离技术，在Pd/k柱中获得高浓氚(含有微量氘)的同时，分子柱中获得氕氘(含有微量氚)。由于分子筛在常温下几乎不吸附氢，需要依靠液氮冷却获得分离效果。液氮的存储、供给系统需要较大的附属设备以及较多的管路，占据较多的空间资源。液氮气化后形成高压氮气，一旦被氚污染后，会造成较大的后处理负担。该装置在正压条件进行氚操作，有氚泄漏风险。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明旨在提供一种能在常温、负压条件下实现氘氚分离的氘氚混合气的分离系统及方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种氘氚混合气的分离系统，其特征在于，所述分离系统包括分氘单元、分氚单元、补气单元，其连接关系是分氘单元与分氚单元通过气动阀III连接，补气单元与分氚单元通过气动阀II连接：

其中，所述的分氘单元包括除氘柱、加热冷却一体机I、氢同位素微色谱I、标准容器I、化学铀床I，所述除氘柱与加热冷却一体机I通过导热油管路相连，除氘柱与标准容器I通过气动阀IV相连，氢同位素微色谱I与标准容器II通过进样管路连接，化学铀床I与标准容器II通过气动阀VI相连。

所述的分氚单元包括除氚柱、加热冷却一体机II、氢同位素微色谱II、标准容器III、化学铀床II，所述除氚柱与加热冷却一体机II通过导热油管路相连，除氚柱与标准容器III通过气动阀V相连，氢同位素微色谱II与标准容器III通过进样管路连接，化学铀床II与标准容器III通过气动阀VII相连。

进一步，所述补气单元包括补气床，标准容器I，真空系统。其中，补气床与标准容器之间通过气动阀I相连，标准容器与真空系统通过气动阀I，手动阀相连。

进一步，所述除氘柱为填充色谱柱，填充材料成分为LaNi₅-SiO₂复合材料；所述除氚柱为填充色谱柱，填充材料成分为钯-硅藻土复合材料；所述补气床的填充材料为金属钯。