一种重水慢化剂混合气体中氦-3的提取方法及提取系统与流程

本申请涉及化工，尤其涉及一种重水慢化剂混合气体中氦-3的提取方法及提取系统。

背景技术：

1、氦-3是氦的一种同位素，氦-3具有独特的物理性质，在中子探测、低温工程、核能发展、医学、地理学、天文学等诸多领域越来越多地得到重要应用，已成为一种重要的战略物资，氦-3被称为是最珍贵的稀有气体之一，高品质氦-3气体的稳定供应是发展量子技术的重要支撑技术之一。

2、相关技术中，氦-3极其稀少，并且氦-3的获取途径较少、获取难度也相对较大，使得氦-3的产量相对较低。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请实施例提供了一种重水慢化剂混合气体中氦-3的提取方法及提取系统，旨在提供一种较低难度获取氦-3的新途径，以提高氦-3的产量。

2、为达到上述目的，本申请实施例一方面提供了一种重水慢化剂混合气体中氦-3的提取方法，所述混合气体包括覆盖气体，所述覆盖气体为氦-4气体，其特征在于，所述提取方法包括：

3、净化处理：对含有氦-3的所述混合气体进行净化处理，以去除所述混合气体中水、水蒸气、co2、碳氢化合物、部分n2、部分o2以及部分氢同位素组合气体并得到第一阶段粗氦气；

4、低温预精馏处理：对所述第一阶段粗氦气进行低温预精馏处理，以去除所述第一阶段粗氦气中残余的n2和o2并得到第二阶段粗氦气；

5、低温精馏处理：对所述第二阶段粗氦气进行低温精馏处理，以去除所述第二阶段粗氦气中的氦-4气体并得到第三阶段粗氦气；

6、去氢化处理：对所述第三阶段粗氦气进行去氢化处理，以去除所述第三阶段粗氦气中残余的氢同位素组合气体。

7、一种实施方式中，将所述的低温精馏处理步骤中分离得到的氦-4气体返回至重水慢化剂系统中。

8、一种实施方式中，所述的净化处理步骤，具体包括：

9、催化氧化处理：对含有氦-3的所述混合气体进行催化氧化处理，以去除所述混合气体中微量的碳氢化合物、部分氢同位素组合气体并得到第一混合物；

10、低温冷却处理：对所述第一混合物进行低温冷却处理，以去除所述第一混合物中的水和部分水蒸气并得到第二混合物；

11、低温吸附处理：对所述第二混合物进行低温吸附处理，以去除所述第二混合物中的co2、部分n2、部分o2以及残余的水蒸汽并得到所述第一阶段粗氦气。

12、一种实施方式中，所述的去氢化处理步骤，具体包括：

13、钯膜渗透处理：对所述第三阶段粗氦气进行钯膜渗透处理，以去除所述第三阶段粗氦气中的部分氢同位素组合气体并得到第四阶段粗氦气；

14、超低温吸附处理：对所述第四阶段粗氦气进行超低温吸附处理，以去除所述第四阶段粗氦气中残余的氢同位素组合气体。

15、一种实施方式中，所述的钯膜渗透处理步骤，具体包括：

16、向所述第三阶段粗氦气中加入定量氢气；

17、对加入了定量氢气的所述第三阶段粗氦气进行钯膜渗透，以去除所述第三阶段粗氦气中的部分氢同位素组合气体。

18、一种实施方式中，所述的低温预精馏处理步骤，具体包括：

19、在液氮温度下，采用第一吸附填料对所述第一阶段粗氦气进行低温预精馏。

20、一种实施方式中，所述第一吸附填料包括金属三角螺旋填料和θ环填料中的至少一者。

21、一种实施方式中，所述第一吸附填料包括金属三角螺旋填料，所述金属三角螺旋填料的材质包括不锈钢和铜中的至少一者。

22、一种实施方式中，在所述的低温预精馏处理步骤之前，所述提取方法还包括：

23、对所述第一吸附填料进行亲水性处理。

24、一种实施方式中，所述的低温精馏处理步骤，具体包括：

25、在2k～4k的温度条件下，采用第二吸附填料对所述第二阶段粗氦气进行低温精馏。

26、本申请实施例另一方面提供了一种重水慢化剂混合气体中氦-3的提取系统，适用上述任一项实施例所述的重水慢化剂混合气体中氦-3的提取方法，所述提取系统包括：

27、净化处理单元，包括催化氧化处理单元、低温冷却处理单元以及低温吸附处理单元，所述催化氧化处理单元用于对含有氦-3的所述混合气体进行催化氧化处理，以去除所述混合气体中微量的碳氢化合物、部分氢同位素组合气体并得到第一混合物；所述低温冷却处理单元用于对所述第一混合物进行低温冷却处理，以去除所述第一混合物中的水和部分水蒸气并得到第二混合物；所述低温吸附处理单元用于对所述第二混合物进行低温吸附处理，以去除所述第二混合物中的co2、部分n2、部分o2以及残余的水蒸汽并得到所述第一阶段粗氦气；

28、低温预精馏处理单元，用于对所述第一阶段粗氦气进行低温预精馏处理，以去除所述第一阶段粗氦气中残余的n2和o2并得到第二阶段粗氦气；

29、低温精馏处理单元，用于对所述第二阶段粗氦气进行低温精馏处理，以去除所述第二阶段粗氦气中的氦-4气体并得到第三阶段粗氦气；

30、去氢化处理单元，包括钯膜渗透处理单元和超低温吸附处理单元，所述钯膜渗透处理单元用于对所述第三阶段粗氦气进行钯膜渗透处理，以去除所述第三阶段粗氦气中的部分氢同位素组合气体并得到第四阶段粗氦气；所述超低温吸附处理单元用于对所述第四阶段粗氦气进行超低温吸附处理，以去除所述第四阶段粗氦气中残余的氢同位素组合气体。

31、本申请实施例的重水慢化剂混合气体中氦-3的提取方法，在重水反应堆中，以重水中的氚衰变产生的氦-3混入覆盖气体(氦-4气体)后形成的混合气体为原料，对混合气体依次采用净化处理、低温预精馏处理、低温精馏处理以及去氢化处理，从而逐步去除水、水蒸气、co2、n2、o2、碳氢化合物、氦-4气体以及氢同位素组合气体，从而得到高品质的氦-3气体。重水反应堆在运行过程中，其顶层形成的混合气体能够得到充分利用，从而提高了能源利用率，同时，本申请实施例为氦-3的获取提供了新途径，从而能够提高氦-3的产量，此外，本申请实施例氦-3的提取方法具有流程先进、分离程度高、氦-3气体品质高等优点。

技术特征：

1.一种重水慢化剂混合气体中氦-3的提取方法，所述混合气体包括覆盖气体，所述覆盖气体为氦-4气体，其特征在于，所述提取方法包括：

2.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，将所述的低温精馏处理步骤中分离得到的氦-4气体返回至重水慢化剂系统中。

3.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，所述的净化处理步骤，具体包括：

4.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，所述的去氢化处理步骤，具体包括：

5.根据权利要求4所述的提取方法，其特征在于，所述的钯膜渗透处理步骤，具体包括：

6.根据权利要求1-5任一项所述的提取方法，其特征在于，所述的低温预精馏处理步骤，具体包括：

7.根据权利要求6所述的提取方法，其特征在于，所述第一吸附填料包括金属三角螺旋填料和θ环填料中的至少一者；和/或，

8.根据权利要求6所述的提取方法，其特征在于，在所述的低温预精馏处理步骤之前，所述提取方法还包括：

9.根据权利要求1-5任一项所述的提取方法，其特征在于，所述的低温精馏处理步骤，具体包括：

10.一种重水慢化剂混合气体中氦-3的提取系统，适用权利要求1-9任一项所述的重水慢化剂混合气体中氦-3的提取方法，所述提取系统包括：

技术总结
本申请实施例提供了一种重水慢化剂混合气体中氦‑3的提取方法及提取系统。其中，该提取方法包括净化处理、低温预精馏处理、低温精馏处理以及去氢化处理。本申请实施例的提取方法，能够实现重水慢化剂中的氚衰变产生的氦‑3的提取，为氦‑3的获取提供了新途径，从而能够提高氦‑3的产量，此外，本申请实施例氦‑3的提取方法具有流程先进、分离程度高、氦‑3气体品质高等优点，重水反应堆在运行过程中产生的氦‑3能够被充分获取，从而提高了能源利用率。

技术研发人员：阮皓,吴栋,尹玉国,黄登高,王学彬,刘亚明,黄丽,何浪清,窦勤成
受保护的技术使用者：中国原子能科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4