[发明专利]一种置换色谱氢同位素分离装置

说明书

技术领域

本发明涉及核技术领域，特别涉及一种置换色谱氢同位素分离装置。

背景技术

核聚变反应堆以氘氚为核燃料，因此氕(H)氘(D)氚(T)氢同位素分离是聚变反应堆核燃料循环的核心技术之一，通过同位素分离，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，还可运用于氚的增殖提取，等离子体排出与处理等。

为满足聚变反应堆运行对大量氢同位素分离的需求，目前已经发展了一系列的氢同位素分离技术，包括：

低温精馏法(LHD)，氢同位素混合气体中存在H₂、HD、HT、D₂、DT和T₂六种分子，该方法利用氢同位素H、D、T的沸点差异，利用经典的蒸馏方法，在16-25K温度范围内实现氕氘氚的分离；但是其能耗高，温度控制精度要求高，技术复杂，系统建设和运行成本高；

低温色谱氢同位素分离法(GC)，该方法运用分子筛在低温下对氢同位素混合气体中不同组分的吸附能力不同；以热氦气作为载气与氢气形成混合气体，即将氦气作为动力源，在低温通过分子筛分离柱，依次带出H₂、HD、HT、D₂、DT和T₂六种完全分开的氢同位素分子，即分离时优先释放H、其次是D、最后是T；但是该方法需要设置储存氦气、加热氦气的装置，氕氘氚分离后还需要将每种组分与氦气分离的装置，操作流程复杂，设备成本高；

钯热置换色谱氢同位素分离法，该方法利用钯材料在形成氢化物时的同位素效应进行氢同位素分离，即H比D、T更容易与钯反应生成更稳定的固态钯氢化物，且温度越低分离效应越大；利用这种同位素效应，将氕氘混合气充入色谱柱形成混合吸附段，然后通入纯氢作为置换气体，其中的重同位素T被优先置换并被推向出口端，随着吸附-置换过程的不断发展，在色谱柱内逐渐形成纯的同位素色谱，最容易被吸附的H在最后端，而D或T则位于最前端，即分离时优先释放T、其次是D、最后是H，从而实现H与D、T的分离；该方法原理清晰，操作流程简单，分离效率高，适用于中小规模的氢同位素分离，但是其需要通入H₂作为置换气体，会产生部分含少量重同位素组分的尾气；

热循环吸附法(TCAP)，该方法使用的分离柱包括一根填充了载钯分离材料的色谱柱和一根回流空柱；分离时，载钯柱不断处于半周高温、半周低温的冷热循环中，热半周温度约150℃，冷半周温度小于0℃；分离运行时先向空柱送入一定量氢气，然后分离柱进入初始循环；经过数百个循环周期后，系统内达到循环稳态，在分离柱内建立起氢同位素的分布；但是该方法高强度冷热循环会使载钯分离材料粉化，钯与载钯材料间相互作用改变钯吸氢特性等，分离柱有效寿命短，冷热反复能耗高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的低温精馏装置能耗高，温度控制精度要求高，技术复杂，系统建设和运行成本高；低温色谱氢同位素分离装置需要设置储存氦气、加热氦气的装置，氕氘氚分离后还需要将每种组分与氦气分离的装置，操作流程复杂，设备成本高；钯热置换色谱氢同位素分离装置需要通入H₂作为置换气体，会产生部分含少量重同位素组分的尾气；热循环吸附装置的高强度冷热循环会使载钯分离材料粉化，钯与载钯材料间相互作用改变钯吸氢特性等，分离柱有效寿命短，冷热反复能耗高的上述不足，提供一种置换色谱氢同位素分离装置。

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分离装置，包括机架，还包括：

设于所述机架上的冷却部件，以及：

至少一个竖向设置的分离柱，每个所述分离柱包括中空管，所述中空管下端管口封闭设置，上端管口连接多通阀门，其内部设有分离材料，所述分离材料用于吸附或者解吸氢气；

供气部件，分别连通每个所述多通阀门，用于向所有所述分离柱中通入氢气；

集气部件，分别连通每个所述多通阀门，用于分别收集经所有所述分离柱分离后的氕、氘或氚气体；

升降部件，设于所述机架上，连接所有所述分离柱，用于分别将每个所述分离柱降入至所述冷却部件内或者从所述冷却部件中升离出来；

驱动部件，连接并驱动所述升降部件工作。