一种热循环吸附氢同位素分离装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种热循环吸附氢同位素分离装置，包括外壳、分离柱、原料气阀门、产品气阀门、尾气阀门、低温液氮管路和加热棒；分离柱包括至少为两个、且纵向并排分布的填装有氢同位素分离材料的U型管组件，以及将两排U型管组件各自的一端连接在一起的弯管；原料气阀门与弯管连通，产品气阀门与其中一排U型管组件的另一端连通，尾气阀门与另一排U型管组件的另一端连通；低温液氮管路位于两排U型管组件之间，其形状与分离柱形状相同，并且低温液氮管路的一端连接有进液阀门，另一端连接有出液阀门；加热棒设置在低温液氮管路的内侧。本实用新型能实现快速冷热循环，可用于大规模氢同位素分离，因此，其具有很高的应用价值。
【专利说明】
一种热循环吸附氢同位素分离装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及氢同位素分离技术领域，具体涉及的是一种热循环吸附氢同位素分离装置。
【背景技术】
[0002]氘氚的聚变反应能够释放出比裂变反应大得多的能量，在军事上已用于制造氢核武器，在民用上正用于可控聚变能源研究。在聚变能源工程方面，送入聚变堆的氘氚燃料只有一小部分被消耗，其余的排出到燃料循环系统进行处理再利用，在这其中，氢同位素分离是关键的技术之一。
[0003]目前，主流的氢同位素分流方法有热扩散分离法、洗提色谱分离法、置换色谱分离法、低温蒸馏分离法等。其中，置换色谱分离法从一出现就受到了高度重视，在许多国家的氣工号里都对其进行了而研究和应用。而热循环吸附法(Thermal Cycling Absorpt1nProcess，TCAP)属于置换色谱分离法的一种，是由萨凡纳河实验室(Savanah RiverLaboratory)的M.ff.Lee首先从理论概念上提出的，并于1994年正式建成并投入运行。TCAP的原理是利用载钯材料的氢同位素效应，通过对分离柱多次施加半周低温、半周高温的冷热循环，使轻、重的同位素分别聚集在分离柱两端，从而实现分离。TCAP除了能够容易地分离氢氘和氢氚外还可以分离氘氚，而且分离速度快、效率高。因此，TCAP工艺在很多国家的氚实验室里都受到了重视，并且一直在研究发展之中。
[0004]TCAP分离柱结构与冷热循环系统设计对其分离效果有决定性的影响。目前，国内外已经设计建立了数种不同结构的分离装置，其中具有代表性的主要有采用冷热氮气实现冷热循环的螺旋管结构(美国SRS)和采用感应加热/循环水冷的圆形排列钻孔管结构(法国CEA)。中国工程物理研究院也开发出了TCAP氢同位素分离原理系统，处理规模达每天40L。
[0005]由于聚变堆采用的TCAP分离装置涉及氚操作，必须安装在手套箱中，因此对装置的尺寸有一定要求。而为了实现聚变堆大规模处理氢同位素，不仅要求TCAP装置的结构紧凑、便于安装与集成，还要求实现快速冷热循环。现有公开文献介绍的TCAP分离装置虽然各有其特点，但存在冷热循环周期长、设备占地面积大或装料过程繁琐、容易堵塞等缺点，无法满足聚变反应堆氘氚燃料循环过程中大规模处理量的需求。
【实用新型内容】
[0006]针对上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种热循环吸附氢同位素分离装置，其具有结构紧凑、安装与集成方便的特点，并且传热效率高，能实现快速冷热循环。
[0007]为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下:
[0008]—种热循环吸附氢同位素分离装置，包括外壳，以及均设置在该外壳内的分离柱、原料气阀门、产品气阀门、尾气阀门、低温液氮管路和加热棒;所述分离柱包括至少为两个、且纵向并排分布的填装有氢同位素分离材料的U型管组件，以及将两排U型管组件各自的一端连接在一起的弯管;所述原料气阀门与弯管连通，所述产品气阀门与其中一排U型管组件的另一端连通，所述尾气阀门与另一排U型管组件的另一端连通;所述低温液氮管路位于两排U型管组件之间，其形状与分离柱形状相同，并且该低温液氮管路的一端连接有进液阀门，另一端连接有出液阀门；所述加热棒设置在低温液氮管路的内侧。
[0009]进一步地，所述外壳内还填充有导热填料，所述加热棒插入在导热填料中。
[0010]作为优选，所述导热填料为泡沫铜。
[0011]再进一步地，所述导热填料与外壳之间还设有保温层。
[0012]更进一步地，本实用新型还包括紧贴于U型管组件外壁上的测温计。
[0013]具体地说，所述U型管组件包括至少两个、且横向并排分布的填装有载钯材料的U型管，以及用于实现相邻两个U型管连通的连接装置;所述弯管同时与两个U型管组件各自一端的U型管连通;所述产品气阀门与其中一个U型管组件另一端的U型管连通;所述尾气阀门与另一个U型管组件另一端的U型管连通。
[0014]具体地说，所述连接装置包括第一弯头、第二弯头、堵头和用于使载钯材料填入U型管内的三通接头;所述第一弯头一端连接其中一个U型管，另一端连接三通接头其中一个接头;所述第二弯头一端连接另一个U型管，另一端连接三通接头第二个接头;所述堵头连接三通接头第三个接头，用于载钯材料填入U型管之后将三通接头堵住。
[0015]与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果:
[0016](I)本实用新型结构紧凑、占地空间小、使用方便、成本低廉，在手套箱中很容易放置，且通过多个分离装置的串联，可以顺利实现集成大规模处理氢同位素。
[0017](2)本实用新型中分离柱采用多个U型管和连接装置串联而成，利用连接装置中的三通接头向上的接头向U分离柱内装填载钯填料，然后再封上堵头，如一来，其安装方法和工具简单，而且不容易造成堵塞。
[0018](3)本实用新型中，由于外壳内填充了导热填料，使得分离柱、加热棒和低温管路之间充满了导热填料，因此不仅能有效减轻整个分离装置的重量，而且还具备了良好的导热效果，可以快速实现冷热循环，进而为提高氢同位素的处理规模提供了可能。
[0019](4)本实用新型中低温管路位于分离柱内部，其弯折形式和空间布局与分离柱相同，且加热棒均匀插入导热填料内，保证了分离柱在冷却或加热过程中保持较小的温差。
[0020](5)本实用新型中外壳作为二级包容的边界，提高了装置的安全性，且在导热填料与外壳之间装有保温层，能减小能量损失。
[0021](6)本实用新型性价比高、实用性强、性能稳定，具有较高的实用价值和推广价值。
【附图说明】
[0022]图1为本实用新型的结构不意图。
[0023]图2为本实用新型的局部放大图。
[0024]图3为本实用新型部分零部件的结构示意图。
[0025]图4为本实用新型部分零部件的结构示意图。
[0026]其中，附图标记对应的零部件名称为:
[0027]1-外壳，2-保温层，3-分离柱，31-U型管，32-三通接头，33-堵头，4_测温计，5_低温液氮管路，6-加热棒，7-导热填料，8-原料气阀门，9-产品气阀门，10-尾气阀门，11-进液阀门，12-出液阀门。
【具体实施方式】
[0028]下面结合【附图说明】和实施例对本实用新型作进一步说明，本实用新型的方式包括但不仅限于以下实施例。
[0029]实施例
[0030]如图1?4所示，本实用新型提供了一种新型的氢同位素分离装置，其包括外壳I，以及均设置在该外壳I内的分离柱3、原料气阀门8、产品气阀门9、尾气阀门10、低温液氮管路5和加热棒6。
[0031]如图3所示，所述的分离柱3用于实现氢同位素的分离，作为本实用新型的主要设计要点之一，该分离柱3包括至少为两个、且纵向并排分布的填装有氢同位素分离材料(本实施例中优选为载钯材料)的U型管组件，以及将两排U型管组件各自的一端连接在一起的弯管。每个U型管组件均包括至少两个、且横向并排分布的填装有载钯材料的U型管31和连接装置。所述的弯管同时与两个U型管组件各自一端的U型管连通。所述的产品气阀门9与其中一个U型管组件另一端的U型管连通;而所述的尾气阀门10则与另一个U型管组件另一端的U型管连通。
[0032]所述的连接装置用于实现相邻两个U型管的连通，其具体包括第一弯头、第二弯头、堵头33和用于使载钯材料填入U型管内的三通接头32;所述第一弯头一端连接其中一个U型管，另一端连接三通接头32其中一个接头;所述第二弯头一端连接另一个U型管，另一端连接三通接头32第二个接头;所述堵头33连接三通接头32第三个接头，用于载钯材料填入U型管之后将三通接头焊接密封。
[0033]如图4所示，作为本实用新型的另一个主要设计要点，所述的低温液氮管路5位于两排U型管组件之间，其形状与分离柱形状相同，并且该低温液氮管路5的一端连接有进液阀门11，另一端连接有出液阀门12。而所述的加热棒6则设置在低温液氮管路5的内侧。并且，为保证分离柱在冷却或加热过程中保持较小的温差，本实用新型在外壳I内填充有导热填料7，加热棒6插入在导热填料中。
[0034]此外，本实用新型在导热填料7与外壳I之间还设置了保温层2，在本实用新型中，外壳I作为二级包容的边界，可以提高整个装置的安全性，而设置在导热填料7与外壳I之间的保温层2，则可以减小能量的损失。
[0035]另外，为方便控制和维持整个分离装置的温度，本实用新型还设置了测温计4，其紧贴于U型管组件外壁上，如此可方便对分离装置的温度进行实时记录。
[0036]本实用新型的工艺流程与现有TCAP流程一致，先在冷半周内从分离柱中间馈入原料气，然后在热半周内提取产品和尾气。本实施例中，分离柱3的管径为Φ 12?28_，低温液氮管路5的管径为Φ 6?18mm，工作时，可将分离柱3内部温度降至-120?-20°C;加热棒6采用电加热，工作时，可将分离柱3内部温度升至150?300 0C ；导热填料7为泡沫铜，密度为500?3560kg/m3o
[0037]当本实用新型进入冷半周时，关闭产品气阀门9和尾气阀门10，开启进液阀门11，使液氮流入低温液氮管路5内，待测温计4所测温度达到设定值后降低液氮流量，维持装置温度。与此同时，开启原料气阀门8，在分离柱3的中间馈入一定量的原料气。
[0038]当本实用新型进入热半周时，关闭进液阀门11，打开加热棒6，利用低温液氮管路5内的自增压将剩余液氮从出液阀门12排出。待测温计4所测温达到设定值后降低加热棒6功率，维持装置温度，并打开产品气阀门9和尾气阀门10，即可按照原料气的比例等量提取产品气和尾气。
[0039]上述实施例仅为本实用新型的优选实施方式之一，不应当用于限制本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本实用新型一致的，均应当包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种热循环吸附氢同位素分离装置，其特征在于，包括外壳(I)，以及均设置在该外壳(I)内的分离柱(3)、原料气阀门(8)、产品气阀门(9)、尾气阀门(10)、低温液氮管路(5)和加热棒(6);所述分离柱(3)包括至少为两个、且纵向并排分布的填装有氢同位素分离材料的U型管组件，以及将两排U型管组件各自的一端连接在一起的弯管;所述原料气阀门(8)与弯管连通，所述产品气阀门(9)与其中一排U型管组件的另一端连通，所述尾气阀门(10)与另一排U型管组件的另一端连通;所述低温液氮管路(5)位于两排U型管组件之间，其形状与分离柱形状相同，并且该低温液氮管路(5)的一端连接有进液阀门(11)，另一端连接有出液阀门(12);所述加热棒(6)设置在低温液氮管路(5)的内侧。2.根据权利要求1所述的一种热循环吸附氢同位素分离装置，其特征在于，所述外壳(I)内还填充有导热填料(7)，所述加热棒(6)插入在导热填料中。3.根据权利要求2所述的一种热循环吸附氢同位素分离装置，其特征在于，所述导热填料(7)为泡沫铜。4.根据权利要求2或3所述的一种热循环吸附氢同位素分离装置，其特征在于，所述导热填料(7)与外壳(I)之间还设有保温层(2)。5.根据权利要求4所述的一种热循环吸附氢同位素分离装置，其特征在于，还包括紧贴于U型管组件外壁上的测温计(4)。6.根据权利要求1、2、3或5所述的一种热循环吸附氢同位素分离装置，其特征在于，所述U型管组件包括至少两个、且横向并排分布的填装有载钯材料的U型管(31)，以及用于实现相邻两个U型管连通的连接装置;所述弯管同时与两个U型管组件各自一端的U型管连通；所述产品气阀门(9)与其中一个U型管组件另一端的U型管连通;所述尾气阀门(10)与另一个U型管组件另一端的U型管连通。7.根据权利要求6所述的一种热循环吸附氢同位素分离装置，其特征在于，所述连接装置包括第一弯头、第二弯头、堵头(33)和用于使载钯材料填入U型管内的三通接头(32);所述第一弯头一端连接其中一个U型管，另一端连接三通接头(32)其中一个接头;所述第二弯头一端连接另一个U型管，另一端连接三通接头(32)第二个接头;所述堵头(33)连接三通接头(32)第三个接头，用于载钯材料填入U型管之后将三通接头堵住。
【文档编号】B01D59/26GK205659564SQ201620557030
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】黄国强, 刘青松, 陈华明, 陈长安, 邓良才, 钱晓静
【申请人】中国工程物理研究院材料研究所