[发明专利]利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统及其实现方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种用于收集氚的系统，具体涉及的是一种利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统及其实现方法。

背景技术

目前，无论是核武器的制造还是聚变反应堆的运行过程，都会涉及到大量氚的操作，其中有一部分是以氚化水的形式存在。另外，在很多商用或者民用核电站的运行过程中，也要产生大量的含氚水，如果不对这部分氚加以回收，而是直接排放，则不仅会给环境造成污染，而且也造成了经济上的损失。因此，在氚工艺中，必须要配备氚化水的去氚化装置，以回收氚，使水的排放达到一定的指标。

目前已公开的含氚水去氚化技术采用的是水蒸气与氢气同流的方式进行交换，其装置由多级串联组成，每级都需要在反应前将水蒸气与氢气预热到200℃，然后进行催化反应，待反应后再冷凝，使水蒸气与氢气分离，如此反复多次汽化、预热、反应、冷凝、分离，方可使含氚水去除大部分氚，而这不仅流程繁琐、操作麻烦，而且能耗和成本太高，并且还不能有效地回收氚，其对于氚的回收率相当低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统及其实现方法，主要解决现有的含氚水去氚化装置存在流程繁琐、能耗高、不能有效收集氚的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统，包括由上往下依次连接的氢同位素分离系统、气体干燥机、第一液化系统、水蒸气加热装置、催化反应段、第二液化系统和产品水收集箱，与水蒸气加热装置连接的蒸汽发生器，以及与该蒸汽发生器连接的原料水储水箱；所述催化反应段内部填满有亲水催化剂。

具体地说，所述第一液化系统包括依次连接的第一冷凝器和第一空腔；所述第一冷凝器与气体干燥机连接，所述第一空腔与水蒸气加热装置连接，并且该第一空腔内部自下而上填充有疏水催化剂。

作为优选，所述第一空腔内疏水催化剂的填充高度为该第一空腔高度的一半。

具体地说，所述水蒸气加热装置包括分别与第一空腔和催化反应段连接的外筒体，设置在该外筒体内部中间位置的多孔蜂窝状蓄热体，以及设置在外筒体上且均贯穿多孔蜂窝状蓄热体的第一加热管和第二加热管；所述第一加热管位于第二加热管上方，并且二者相互垂直，该第一加热管和第二加热管中还均设有加热棒；所述蒸汽发生器连接在外筒体的侧面上，并且位于第一加热管的上方。

具体地说，所述第二液化系统包括相互连接的第二冷凝器和第二空腔；所述第二空腔与催化反应段连接，所述第二冷凝器与产品水收集箱连接。

作为优选，所述第一冷凝器与第二冷凝器均为列管式冷凝器。

进一步地，所述催化反应段与第二空腔之间还设有支撑板。

再进一步地，所述外筒体和催化反应段外部均包覆有保温包层。

基于上述结构基础，本发明还提供了利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统的实现方法，包括以下步骤：

（1）含氚水经由原料水储水箱进入到蒸汽发生器中加热，形成水蒸气；

（2）水蒸气进入到水蒸气加热装置中，由水蒸气加热装置维持其温度，并使其扩散至催化反应段整个内部，同时从催化反应段下端通入纯净氢气，氢气流动方向与水蒸气流动方向相反；

（3）氢气与水蒸气在催化反应段中由亲水催化剂触发催化反应，氚由含氚水蒸气转移到氢气中并随着氢气一起进入到水蒸气加热装置中，同时第二冷凝器促使第二空腔中的水蒸气液化，使得催化反应段与第二空腔之间产生水蒸气浓度差，第二空腔内水蒸气浓度低于催化反应段内水蒸气浓度，催化反应段内水蒸气向第二空腔内扩散并继续由第二冷凝器液化；

（4）含氚氢气经催化反应段依次通过水蒸气加热装置和第一空腔，并由第一冷凝器将含氚氢气夹带的水蒸气液化，与含氚氢气分离，初步干燥含氚氢气；同时第二空腔中被液化的水蒸气通过第二冷凝器进入到产品水收集箱中收集；

（5）含氚氢气进入到气体干燥机中进行二次干燥，形成干燥的含氚氢气；

（6）干燥的含氚氢气进入到氢同位素分离系统中进行分离，得到高浓度氚。

进一步地，所述步骤（4）中，由第一冷凝器凝结的液态水在外筒体中由加热棒加热汽化，使得第一空腔内水蒸气和液态水形成动态平衡，并保持水蒸气加热装置内水蒸气比催化反应段内水蒸气浓度高，浓度高的水蒸气由于浓度差而进入催化反应段并继续向第二空腔扩散，最后再由第二冷凝器液化后收集到产品水收集箱中。