一种从水中去除氚的方法技术

一种用于从水中去除氚的基于扩散的方法，通过将水中的氚转化成元素氢流，然后通过用于分离和富集氚的膜扩散级联，最后通过一个或多个热扩散塔富集氚。该工艺步骤组合利用在低氚浓度下膜扩散的高通量能力和用于低通量最终氚富集的热扩散的简单性。膜扩散阶段使用承载或非承载微孔或氢可渗透金属膜（例如Ｐｄ／Ａｇ合金）。扩散工艺适合任何用于将含氚水中的氚转化为元素氢的前端工艺。该方法可以设计并在低压下操作同时具有低气体存量以及没有内在过压危险。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及从水中回收氚同位素的领域，更具体地涉及通过将水中的氚转化成元素氢流、然后通过膜扩散分离并富集氚、最后通过热扩散富集氚以从水中除去氚的方法。
技术介绍
加拿大、法国以及最近在韩国已经建造了一些大型装置，用于从核反应堆的重水调节系统中提取氚。Kalyanam and Sood，“Fusion Technology”1988，pp525-528中提供了这些类型系统的工艺特征的对比。已经设计出用于聚变应用的类似但较小的轻水氚回收系统(参见H.Yoshida，et al，“Fusion Eng.and Design”1998，pp825-882；Busigin，et al，“Fusion Technology”，1995pp 1312-1316；A.Busigin and S.K.Sood，“Fusion Technology”1995pp 544-549)。当前所有大型系统都使用前端工艺来将水中的氚转化成元素氢，随后通过低温蒸馏级联将全部或大部分氢同位素分离。已经设计和建造了用于铀同位素分离的大型膜(气体)扩散系统。气体扩散技术的详细描述由M.Benedict，T.Pigford and H.Levi，“Nuclear ChemicalEngineering”，McGraw Hill(1981)提供。气体扩散从来没有用于大规模氢同位素分离。如G.Vasaru，et al，“The Thermal Diffusion Column”，VEB Deutscher derWissenschaften，Berlin，1968中叙述，自从二十世纪五十年代以来，热扩散塔已经应用于小规模的氢同位素分离。由于不能成比例的扩大生产，这项技术的应用受到了限制。当前所有用于水去氚化的大型工艺都是基于通过下列方法将水中的氚转化为元素氢(a)催化交换反应，例如(b)直接电解水，即；或(c)通过适当的反应分解水，例如水气转换反应(参见Kalyanam and Sood，“Fusion Technology”1988，pp525-528；A.Busigin and P.Gierszewski，“Fusion Engineering and Design”1998，pp909-914；D.K.Murdoch，et al，“Fusion Science and Technology”2005，pp3-10；K.L.Sessions，“Fusion Science and Technology”2005，pp91-96；J.Cristescu，et al.“Fusion Science and Technology”2005，pp97-101；I-R.Cristescu，et al，“FusionScience and Technology”2005，pp343-348)。最近建议将Pd/Ag膜级联作为低温蒸馏的替代技术应用于ITER(D.L.Luo，et al，“Fusion Science and Technology”2005，pp156-158)。然而，所建议装置的氢通量比CANDU反应堆调节器水去氚系统例如Darlington去氚设备的氢通量小1000倍。该替代技术可用于小规模的同位素分离，例如将含有约50％氘和50％氚的等离子体废气提高到适用于聚变燃料再循环的90％氚浓度。大型聚变装置的高通量氚使得低通量技术例如热扩散的使用不切合实际。在核反应堆典型的水去氚化应用中，氚通量与ITER规模的聚变装置相比非常微小，然而需要处理的水量非常大。现有技术中大规模氢同位素分离低温蒸馏方法具有如下缺点1.使用液态制冷剂具有相应的危险，例如升温和蒸发时产生高压的可能；非常低的温度工艺条件引起的热应力；需要真空绝缘的低温盒容器来容纳制冷设备。2.大量的液氢(以及氚)存量，几乎充满了蒸馏塔装填量。3.潜在的由于杂质冷冻引起的工艺管线阻塞。4.复杂并且昂贵的工艺装置。5.复杂的操作和维护。6.非模块式工艺使得更新和保持设备备件变得困难。7.需要间歇操作干燥器和液氮吸收器来净化低温蒸馏级联的进料。由于不能在商业上利用以及从百万分之几到99+％的纯度富集氚需要大量不连续的压缩阶段，因此以前大型膜扩散没有应用于氢同位素分离。为了与低温蒸馏竞争，压缩阶段的数量需要减少，尤其在工艺的高氚浓度端，在此存在氚材料的匹配性和安全性问题。热扩散已经成功的应用于小规模氚分离，甚至达到99+％的氚，但是不能简单的放大到高通量。这是因为热扩散塔必须在层流态下操作，而放大将使得热扩散塔操作进入湍流态(R.Clark Jones and W.H.Furry，“Reviews of Modern Physics”，1946，pp151-224)。当通量需求很大时，并联建设的多个小热扩散塔的替代方法是不具有吸引力的。热扩散塔还具有低的热力学效率，这对于小规模并不重要，但对大规模就有问题了。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种轻水和重水去氚化的大型基于非低温扩散的方法，该方法比传统的低温蒸馏方法更简单并且更加经济。本专利技术的另一个目的是提供一种在启动、关闭和操作上比传统的低温蒸馏方法更简单的方法。本专利技术的另一个目的是提供一种设计和更新比传统的低温蒸馏方法更简单的模块式方法。本专利技术的另一目的是提供一种基于标准化模块的方法，使得维护和保持设备备件更加简单。本专利技术的另一目的是提供一种比传统低温蒸馏方法具有明显减少的元素氢同位素存量的方法。本专利技术的另一目的是提供一种方法，其中与传统的低温蒸馏方法相比，该方法由于排除了液态制冷剂而减少了危险。本专利技术的另一目的是提供一种能够将含有百万分之几氚含量的水去氚化并且生成具有99％或更高浓度氚的产物的方法。本专利技术的另一目的是提供一种连续方法，其中该方法不需要例如通常用在低温蒸馏系统前端的干燥器和液氮吸收器的间歇操作。通过以下与附图相结合的详细描述，本专利技术的其它目的和优点将变得非常明显，其中通过图解和示例的方式，公开了本专利技术的实施方案。根据本专利技术的优选实施方案，公开了一种从水中除去氚的方法，通过将水中的氚转化为元素氢流，随后通过膜扩散分离并富集氚，最后通过热扩散富集氚。该方法结合了用于分离和预富集氚的膜扩散级联和用于最终富集氚的一个或多个热扩散塔。这种结合利用了在高通量和低氚浓度下膜扩散的可缩放性，以及对于最终富集所需要的低通量热扩散的简单性。该方法适合任何将含氚水中的氚转化为元素氢的前端(front-end)工艺，包括汽相催化交换(VPCE)、液相催化交换(LPCE)、直接电解(DE)、电解和催化交换结合(CECE)、通过水气转化反应器(即钯膜反应器(PMR))或热金属床反应器(HMBR)分解水。该方法可以设计成，但不限制于，在膜扩散部分的高压侧和热扩散部分中在低压(约1大气压)下操作。这将没有例如传统的低温蒸馏中的过压危险，其中传统的低温蒸馏中液态制冷剂在升温下蒸发。附图说明附图构成了本说明书的一部分并且包括本专利技术的示例性实施方案，其中实施方案可以以不同的方式实施。应当理解，在一些情况下，可以放大或扩大本专利技术的不同方面以助于理解本专利技术。图1是用于说明本专利技术中组合方法的工艺流程图。具体实施例方式在此提供本专利技术的优选实施方案的详本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从水中去除氚的方法，所述方法通过将水中的氚转化成元素氢流，然后通过膜扩散分离并富集氚，最后通过热扩散富集氚。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：安东尼布西金，
申请(专利权)人：精细分离应用有限公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]