一种氢同位素低温精馏低滞留再沸器的制作方法

1.本发明涉及一种氢同位素低温精馏低滞留再沸器，属于氢低温精馏再沸器设备领域。


背景技术：

2.氢同位素低温精馏技术因具有分离因子大、处理量大、相对小的能耗以及低温下氚渗透可忽略等优点被公认为聚变反应堆氘氚燃料循环领域氢同位素分离的最有效方法之一。由于氢同位素易燃易爆并且氚具有放射性，为提高氢同位素低温精馏技术的安全性需要尽量减少氢同位素在低温精馏系统中的滞留量。聚变反应堆能否持续运行下去的关键在于氚是否能自持。减少氘氚燃料循环过程中氚的滞留量是实现氚自持的一项重要工作。氢同位素低温精馏技术用于燃料级氚的生产时，在其塔釜再沸器中滞留大量高纯液态氚。减少低温精馏装置塔釜的滞留量对于减少氚滞留具有重要意义。
3.由于氢同位素低温精馏处理量相对其他精馏工艺小很多，并且液氢输送困难，常见的外置再沸器，如强制循环再沸器、热虹吸再沸器以及降膜式再沸器等很难应用于氢同位素低温精馏工艺。氢同位素低温精馏工艺目前使用的再沸器主要是电加热的釜式再沸器。常规釜式再沸器为保证充足的气液分离空间并维持液位稳定，其容量通常较大。这将导致低温精馏系统液氢滞留量以及氚滞留量较大，不利于操作安全性和氚自持。
4.现有工业再沸器中鲜有针对氕氘氚低温精馏的再沸器，无法适应氕氘氚低温精馏的使用场景，针对核聚变技术的不断取得突破，有必要提出一种氢同位素低温精馏低滞留再沸器。


技术实现要素：

5.本发明为了解决上述问题提供了一种氢同位素低温精馏低滞留再沸器，目的在于：该再沸器将小直径中心管与液气转化腔室分隔为独立工作部件，使小直径中心管内无气流扰动，再沸器内少量液氢即可保证正常操作，使氢同位素低温精馏的操作安全性大幅提高，氢同位素滞留量显著减少，有利于聚变堆氘氚燃料循环氚自持。
6.本发明为实现上述目的提供了一种氢同位素低温精馏低滞留再沸器，包括稳定液氢液位的竖直设置的中心管、液氢气化部件和气液分离管；所述中心管直径10
‑
50mm，中心管上端头设有作为再沸器与低温精馏柱的接口的法兰；中心管上下两端均设有用于测量再沸器内的液氢液位微压差的液位计接口；液氢气化部件包括液气转换腔室和加热器，液氢气化部件上端与中心管上端通过气液分离管连通，液氢气化部件下部与中心管下部通过液氢导管连通；中心管下端设有液氢采出管；小直径中心管收集来自低温精馏柱底部的少量液氢即可形成较高的稳定液位便于准确测量，根据连通器原理，液氢气化部件内液位始终与小直径中心管内液位一致。
7.进一步的是，为了使该再沸器设计更紧凑，占用空间小，所述液氢气化部件为环形，并套设在所述中心管外。
8.进一步的是，为了满足生产需要，适应液氢同位素低温精馏生产环境，所述液氢气化部件外径50
‑
200mm，环内外面间距10
‑
30mm。
9.进一步的是，为了使气相氢同位素更易流出液氢气化部件，所述气液分离管设置四个并均匀环绕分布在所述中心管上。
10.进一步的是，为了减少加热器漏热，所述再沸器上包裹多层打孔镀铝涤纶薄膜。
11.进一步的是，为了能够实时控制加热器功率，控制液氢气化过程平稳，所述加热器为可编程控制功率的电加热器。
12.进一步的是，为了了解加热器温度变化情况，更好的控制加热器功率，达到理想液氢气化目的，所述加热器加热面上设置低温温度传感器。
13.进一步的是，为了使加热器对液氢加热热量传导更迅速，所述加热器加热面由高导热系数的材料制成。
14.进一步的是，为了使加热位置更利于直接对液氢加热，且更容易做气密，所述液氢气化部件底面由所述加热器加热面组成。
15.进一步的是，为了使加热器对液氢加热热量传导更迅速，更有利于通过调节加热器功率控制液氢气化部件内气化过程，所述加热器加热面为紫铜材质，所述再沸器主体为316l不锈钢，加热器加热面与不锈钢部件之间采用电子束焊接密封。
16.本发明的有益效果是：
17.1.该再沸器将小直径中心管与液气转化腔室分隔为独立工作部件，小直径中心管收集来自低温精馏柱底部的少量液氢即可形成较高的稳定液位便于准确测量，根据连通器原理，液氢气化部件内液位始终与小直径中心管内液位一致，在使用过程中，该再沸器的小直径中心管内无气流扰动，液位平稳便于测量和控制，比传统设计的液氢滞留量显著减少，可提高氢同位素低温精馏技术的操作安全性，本发明可使再沸器内放射性氢同位素的滞留量显著减少，在氚工厂中有利于氚自持。
18.2.所述液氢气化部件为环形，并套设在所述中心管外，使该再沸器设计更紧凑，占用空间小。
19.3.所述液氢气化部件外径50
‑
200mm，环内外面间距10
‑
30mm，满足生产需要，适应液氢同位素低温精馏生产环境。
20.4.所述气液分离管设置四个并均匀环绕分布在所述中心管上，使气相氢同位素更易流出液氢气化部件。
21.5.所述再沸器上包裹多层打孔镀铝涤纶薄膜，减少加热器漏热。
22.6.所述加热器为可编程控制功率的电加热器，能够实时控制加热器功率，控制液氢气化过程平稳。
23.7.所述加热器加热面上设置低温温度传感器，可以了解加热器温度变化情况，更好的控制加热器功率，达到理想液氢气化目的。
24.8.所述加热器加热面由高导热系数的材料制成，使加热器对液氢加热热量传导更迅速。
25.9.所述液氢气化部件底面由所述加热器加热面组成，使加热位置更利于直接对液氢加热，且更容易做气密。
26.10.所述加热器加热面为紫铜材质，所述再沸器主体为316l不锈钢，使加热器对液
氢加热热量传导更迅速，更有利于通过调节加热器功率控制液氢气化部件内气化过程。
附图说明
27.图1是本发明整体示意图。
28.图2是本发明1/4剖视图。
29.图3是本发明1/4剖视图。
30.图4是本发明加热器布局图。
31.图中：1、中心管；2、液氢气化部件；3、气液分离管；4、法兰；5、液位计接口；6、液氢采出管；7、液氢导管；8、加热器；9、平面无感功率电阻；10、低温温度传感器。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
33.如图1
‑
4所示的一种氢同位素低温精馏低滞留再沸器，包括稳定液氢液位的竖直设置的中心管1、液氢气化部件2和气液分离管3；所述中心管直径30mm，长334mm，中心管1上端头设有作为再沸器与低温精馏柱的接口的法兰4；中心管1上下两端均设有用于测量再沸器内的液氢液位微压差的液位计接口5，液位计接口5尺寸为1/4英寸；液氢气化部件2包括液气转换腔室和加热器8，液氢气化部件2上端与中心管1上端通过气液分离管3连通，液氢气化部件2下部与中心管1下部通过液氢导管7连通，气液分离管3和液氢导管7为1/2英寸管；中心管1下端设有液氢采出管6，液氢采出管路为1/8英寸。
34.基于以上实施方式，所述液氢气化部件2为环形，并套设在所述中心管1外。
35.基于以上实施方式，所述液氢气化部件2外径115mm，环内外面间距25mm，高80mm。
36.基于以上实施方式，所述气液分离管3设置四个并均匀环绕分布在所述中心管1上。
37.基于以上实施方式，所述再沸器上包裹多层打孔镀铝涤纶薄膜。
38.基于以上实施方式，所述加热器8为可编程控制功率的电加热器，加热器功率最大200w，电压范围0
‑
100v，电流范围0
‑
2a，加热功率可无级调节，功率输出设定值与实测值偏差小于
±
5％。
39.基于以上实施方式，所述加热器8加热面上间隔设置两个低温温度传感器10，并用m3螺栓固定。
40.基于以上实施方式，所述液氢气化部件2底面由所述加热器8加热面组成。
41.基于以上实施方式，所述加热器8加热面由高导热系数的材料制成，该高导热系数的材料为紫铜材质，所述再沸器主体为316l不锈钢，加热器8加热面与不锈钢部件之间采用电子束焊接密封，所述加热器8加热环面上均匀布置6个平面无感功率电阻9，并用m3螺栓固定，平面无感功率电阻9选用法蓝底板功率电阻，底板中心温度≤25℃额定功率为35w。
42.小直径中心管1收集来自低温精馏柱底部的少量液氢即可形成较高的稳定液位便于准确测量，根据连通器原理，液氢气化部件2内液位始终与小直径中心管1内液位一致，由液位信号和低温温度传感器10控制加热器8加热功率，确保稳定可控的液氢沸腾，该再沸器在使用过程中小直径中心管无气流扰动，使氢同位素低温精馏的操作安全性大幅提高，氢
同位素滞留量显著减少，有利于聚变堆氘氚燃料循环氚的自持。
43.参考文献一《cryogenicdistillationexperimentalstandsforhydrogen isotopesseparation》(fusionengineeringanddesign146(2019)1998
–
2001)，参考文献二《distillationofhydrogenisotopesforpolarized hdtargets》(nuclearinstrumentsandmethodsinphysicsresearcha664(2012)347
–
352)。
44.经过实验室做试验，发现参考文献一和参考文献二中的再沸器液氢滞留量较多，不利于聚变堆氘氚燃料循环氚的自持。
45.本方案实施例相较参考文献一中的再沸器的液氢滞留量减少71.4％。
46.本方案实施例相较参考文献一中的再沸器的液氢滞留量减少73％。
47.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。