一种聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置及方法，依据各单元在处理流程中的作用和必要性，分为主路和支路。主路中仅包含低温泵和Pd合金膜分离单元，通过这两个单元即可将排灰气中96%以上的氘氚燃料回收。本发明专利技术的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收方法处理时间短，更加符合快速回收氘氚燃料的要求；同时，回收工艺简化，有利于降低系统中氚的滞留量，避免了杂质气体对Pd合金膜分离器的不利影响。而且，没有被主路回收的少量氘氚通过支路回收，保证了较高的回收效率。本发明专利技术聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置及方法具有处理周期短、流程简单、回收率高、系统稳定性好、使用寿命长等优点，能够满足现有聚变反应堆的设计需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于聚变反应堆领域，具体涉及一种聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置及方法。
技术介绍
随着化石燃料的短缺，以及环境污染等问题的日益严重，聚变能源逐渐引起了人们的重视。在聚变能源的发展过程中，氘氚燃料循环是必须解决的工程技术问题，也是实现商业应用的基础。由于聚变流程中氘氚的反应率很低，大量未反应的氘氚存在于等离子体排灰气中，从安全、环保及经济角度出发，必须对排灰气进行处理，对其中的氘氚燃料进行回收。排灰气中的氘氚燃料回收主要是通过等离子体排灰气处理系统（TEP）完成的，合适的TEP流程必须满足以下要求：（1）具有足够快的处理速度，以便减小投氚量；（2）具备足够高的燃料回收效率，以实现氚“自持”；（3）具备足够快的脱氕速度，实现氕与氘氚的分离，以满足投料纯度的要求；（4）尽量低的系统氚滞留量，以确保安全，并减少氚的库存量。TEP的工艺流程设计取决于等离子体排灰气的组成。聚变反应堆排灰气的具体组成及含量与聚变堆的类型、面向等离子体的材料及实验条件等因素有关，主要包括大量未反应的氘氚和少量的杂质，杂质包括碳氢化合物、水、一氧化碳、氮气等。其中，需要回收的氘氚燃料大部分为单质态的Q2（Q2是由氢元素的三种同位素组成的单质，包括：H2、HD、HT、D2、DT、T2），小部分为化合态（如氚代甲烷、氚水等）。目前，国际上相对较为完整的TEP流程是德国TLK（Tritiumlabor Karlsruhe）实验室发展的CAPER工艺。工艺流程主要包括钯膜分离、催化反应-膜分离和催化交换膜反应三个单元。在钯膜分离单元，绝大部分单质态氢同位素透过钯膜被分离回收，钯膜分离器的尾气则进入催化反应-膜分离单元，尾气中含有较多的Q2O、CQ4、He等杂质气体。在催化反应-膜分离单元，通过甲烷裂解、水汽重整等催化反应将化合态的氢同位素转化为单质态，并透过钯膜分离回收，部分尾气则进入催化交换膜反应单元，该尾气中还含有少量的Q2O、CQ4以及He、CO、CO2等杂质气体。催化反应-膜分离单元的尾气再进入催化交换膜反应单元，Q2O、CQ4与大量H2发生氢同位素交换反应，化合态的氘氚被置换出来（转化为单质态），并透过钯膜分离回收。经过这三个处理单元，尾气中氘氚含量极低，根据需要，尾气可进入废气除氚单元进一步处理。CAPER流程经过TLK实验室几十年的发展，其可行性已基本得到验证。然而，该流程中，回收化合态氘氚的单元（即催化反应-膜分离单元和催化交换膜反应单元）用时较长，且耗费较高。同时，近年来聚变反应堆的设计者们改进了面向等离子体的材料，选用的材料中不含碳元素，使排灰气中杂质气体（包括化合态氘氚）的含量大大降低，这也使得CAPER流程在处理速度及系统氚滞留量等方面显示出不足。而且，如果排灰气中杂质含量较高，直接进入Pd合金膜分离器中，会对Pd合金膜分离器的使用寿命及系统稳定性造成较为明显的不利影响。
技术实现思路
本专利技术要解决的一个技术问题是提供一种聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置，本专利技术要解决的另一个技术问题是提供一种聚变堆排灰气中的氘氚快速回收方法。本专利技术的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置，其特点是，包括低温泵、Pd合金膜分离单元、色谱柱、Pd合金膜反应单元，聚变反应室生成的排灰气通过低温泵，分成A路、B路，A路进入Pd合金膜分离单元后分成A1路、A2路、A3路；A1路与氚储存系统相连；A2路通过色谱柱后分别与氚储存系统、氢同位素分离系统相连；A3路通过Pd合金膜反应单元进入废气除氚系统或氢同位素分离系统；B路通过Pd合金膜反应单元进入废气除氚系统或氢同位素分离系统。所述的低温泵由低温分子筛柱和氦制冷低温泵组合而成，低温分子筛柱作为前级泵，工作温度为77K，抽出除He和Q2以外的杂质气体，氦制冷低温泵工作温度为4K，抽出He和Q2。所述的Pd合金膜分离单元由两个或两个以上的Pd合金膜分离器串联组成，所述的Pd合金为Pd+Ag、Pd+Y、Pd+Ag+Au、Pd+Ag+Au+Y或Pd+Ag+Au+Ni合金中的一种。所述的色谱柱中装填Al2O3+1%SiO2、涂覆Fe2O3的4A分子筛或5A分子筛中的一种，色谱柱工作温度范围为77K~150K。所述的Pd合金膜反应单元由两个或两个以上的Pd合金膜反应器串联组成，所述的Pd合金为Pd+Ag、Pd+Y、Pd+Ag+Au、Pd+Ag+Au+Y或Pd+Ag+Au+Ni合金中的一种。本专利技术的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收方法，包括以下步骤：6a.粗分排灰气经低温泵抽出后，在低温泵内进行解吸，得到气体Ⅰ、尾气Ⅰ；气体Ⅰ包括Q2和He，尾气Ⅰ包括N2、Q2O、CO2和CQ4；6b.Pd膜纯化气体Ⅰ进入Pd合金膜分离单元分离，得到气体Ⅱ、尾气Ⅱ，气体Ⅱ为Q2气体；尾气Ⅱ包括He和Q2气体，Q2气体的含量低于5%；6c.纯化后处理当气体Ⅱ中H/Q<10%并且T/D=0.95~1.05时，气体Ⅱ进入氚储存系统；当气体Ⅱ中H/Q≥10%时，气体Ⅱ进入色谱柱脱氕，得到气体Ⅲ、尾气Ⅲ，气体Ⅲ中的H/Q<10%并且T/D=0.95~1.05时，气体Ⅲ进入氚储存系统；尾气Ⅲ进入氢同位素分离系统；6d.杂质气体处理尾气Ⅰ、尾气Ⅱ进入储气罐储存，储存量达到设定数量时，进入Pd合金膜反应单元开始催化膜反应生成Q2和尾气Ⅳ，Q2进入氢同位素分离系统、尾气Ⅳ进入废气除氚系统，尾气Ⅳ包括N2、H2O、CO2和CH4。所述的步骤6d的催化膜反应采用的催化剂为Pt+Al2O3、Pd+Al2O3、Ni+Al2O3、Pt+CeO2或Pd+CeO2中的一种或二种以上。本专利技术的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置，依据各单元在处理流程中的作用和必要性，可分为主路和支路。其中，主路是不论排灰气组成如何，都要经过的单元，包括低温泵和Pd合金膜分离单元；支路包括色谱柱和Pd合金膜反应单元，排灰气是否需要经过该单元则视其中的杂质及氕含量情况而定：如果排灰气中杂质气体含量低于1%，可从低温泵解吸后直接进入Pd合金膜分离单元；如果杂质含量高于1%，则经过低温泵粗分以后，将杂质气体储存于缓冲装置，达到设定数量后进入Pd合金膜反应单元；如果由Pd合金膜分离单元得到的氢同位素气体中氕含量低于10%，则不需经过色谱柱，直接进入氚储存系统。如此一来，在排灰气杂质含量较低的情况下，氘氚燃料的回收与分离流程周期将大大缩短。由于本专利技术的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置的主路中仅包含低温泵和Pd合金膜分离单元，通过这两个单元即可将排灰气中96%以上的氘氚燃料回收。本专利技术的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收方法处理时间短，更加符合快速回收氘氚燃料的要求；同时，主要的回收工艺大大简化，有利于降低系统中氚的滞留量。而且，没有被主路回收的少量氘氚通过支路回收，保证了较高的回收效率。此外，经过低温泵粗分以后，进入Pd合金膜分离单元的杂质气体量降低，有利于提高系统的稳定性，并延长使用寿命。本专利技术的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置和方法结合现有聚变反应堆的特点，在高效回收聚变堆排灰气中氘氚燃料的同时，加快处理速度，简化回收流程，降低系统中氚的滞留量，避免了杂质气体对Pd合金膜分离器的不利影响，具有处理周期短、流程简单、回收率高、系统稳定性好、使用寿命长等优点，能够满本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置，其特征在于：所述的装置包括低温泵、Pd合金膜分离单元、色谱柱、Pd合金膜反应单元，聚变反应室生成的排灰气通过低温泵，分成A路、B路，A路进入Pd合金膜分离单元后分成A1路、A2路、A3路；A1路与氚储存系统相连；A2路通过色谱柱后分别与氚储存系统、氢同位素分离系统相连；A3路通过Pd合金膜反应单元进入废气除氚系统或氢同位素分离系统；B路通过Pd合金膜反应单元进入废气除氚系统或氢同位素分离系统。

【技术特征摘要】
1.一种聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置，其特征在于：所述的装置包括低温泵、Pd合金膜分离单元、色谱柱、Pd合金膜反应单元，聚变反应室生成的排灰气通过低温泵，分成A路、B路，A路进入Pd合金膜分离单元后分成A1路、A2路、A3路；A1路与氚储存系统相连；A2路通过色谱柱后分别与氚储存系统、氢同位素分离系统相连；A3路通过Pd合金膜反应单元进入废气除氚系统或氢同位素分离系统；B路通过Pd合金膜反应单元进入废气除氚系统或氢同位素分离系统。2.根据权利要求1所述的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置，其特征在于，所述的低温泵由低温分子筛柱和氦制冷低温泵组合而成，低温分子筛柱作为前级泵，工作温度为77K，抽出除He和Q2以外的杂质气体，氦制冷低温泵工作温度为4K，抽出He和Q2。3.根据权利要求1所述的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置，其特征在于，所述的Pd合金膜分离单元由两个或两个以上的Pd合金膜分离器串联组成，所述的Pd合金为Pd+Ag、Pd+Y、Pd+Ag+Au、Pd+Ag+Au+Y或Pd+Ag+Au+Ni合金中的一种。4.根据权利要求1所述的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置，其特征在于，所述的色谱柱中装填Al2O3+1%SiO2、涂覆Fe2O3的4A分子筛或5A分子筛中的一种，色谱柱工作温度范围为77K~150K。5.根据权利要求1所述的聚变堆排灰气中的氘氚快速回收装置，其特征在于，所述的Pd合金膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊亮萍，王和义，龚宇，岳磊，侯京伟，陈晓军，刘云怒，夏修龙，肖成建，张勤英，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院核物理与化学研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51