一种废中子靶的氚回收纯化系统及方法与流程

1.本发明涉及放射化学技术领域，具体而言，涉及一种废中子靶的氚回收纯化系统及方法。


背景技术：

2.中子技术被广泛应用于中子照相、油田测井、癌症治疗、中子安检、活化分析、辐照育种、辐照损伤研究、核测量等领域。目前主要的中子源有核反应堆、放射源以及加速器型中子源。其中加速器型氘氚中子源是通过加速氘离子束轰击中子靶，发生氘氚聚变反应产生14.1mev的聚变中子。加速器型氘氚中子源由于通电才能产生中子，因此安全性高。另外，这类中子源具有小型化、便携性、成本低廉等优点而具有广泛的应用前景。在加速器型氘氚中子源中，中子靶是直接产生中子的核心部件。由于钛具有较高的吸氚密度和稳定性，国内外目前使用最多的中子靶是在基底材料上镀制一层钛膜，通过钛膜吸氚获得氚钛靶。
3.氚是一种重要的战略资源，十分稀缺和昂贵，1克氚的价格高达上千万。氚钛靶在加速器中子源上使用的过程中，仅氘离子束轰击的地方参与氘氚聚变反应，因此消耗的氚远低于中子靶中储存的氚。而达到使用寿命的中子靶往往被作为放射性固体废物处理，这样既污染了环境，也是对氚资源的浪费。
4.在对于氚的回收和纯化中，纯化和同位素分离是关键步骤。
5.现有技术中，对于纯化的方法主要利用不同气体分子冷凝温度的差异，获得高纯度的氢同位素气体。低温分子筛分离系统主要包括常温分子筛吸附器、液氮分子筛吸附器以及液氦温度分子筛吸附器。具体利用低温分子筛分离系统，废中子靶加热释放的气体经过液氮冷凝的低温分子筛，由于氧气、氮气、水气等低温液化而被分子筛吸附；剩余气体经过液氦冷凝的分子筛，氢同位素冷凝到液态而被吸附再分子筛中，一次纯化就需要两个带有冷却系统的低温分子筛。而为了获得较高纯度的氢同位素气体，需要串联多个低温分级筛以实现多级纯化，设备庞大、工艺复杂，并且分离系数低。并且由于氢同位素的沸点较低，低温冷冻成本较高。
6.对于同位素分离，现有技术中常用的方案是低温精馏分离氢同位素。低温精馏系统主要包含制冷机、精馏柱、循环泵、平衡器等，其中最关键的部件为精馏柱。为了提高效率和纯度，精馏柱一般需要2根以上，每根2-3m。因此设备整体巨大，操作复杂。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是提供一种废中子靶的氚回收纯化系统及方法。
8.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
9.本发明提供一种废中子靶的氚回收纯化系统，包括主管路，所述主管路的两端分别为进气口和出气口，且其中部分别连通热解腔和储存腔；所述主管路的出气口与氚分离系统连通；所述主管路的中部还连通真空泵组；所述储存腔内设有储氢材料颗粒；所述氚分离系统包括至少一个氚分离单元，每个所述氚分离单元内固定安装一个钯合金膜；所述钯
合金膜将所述氚分离单元的内腔体分隔为富氚腔和贫氚腔。
10.本发明的上述技术方案的有益效果在于：
11.本发明采用储氢材料颗粒仅吸附氢同位素气体的原理，系统中仅设计内置储氢合金的存储腔，通过热解-吸附循环工艺，直接获得纯度高纯度氢同位素气体；同时采用钯合金的透氢性和同位素效应，根据氕、氘、氚透过钯合金膜难易程度不同，小分子的氕、氘优先通过，而较大分子的氚较难透过，实现氚的富集。同时结合多级循环渗透分离设计，大幅度提高了氚的分离系数和回收效率。
12.本发明还可以通过以下技术方案实施：
13.进一步，所述氚分离系统包括至少两个氚分离单元；所述主管路的出气口与一个所述氚分离单元的富氚腔连通；一个所述氚分离单元的富氚腔通过一条管路与另一个所述氚分离单元的富氚腔连通，另一个所述氚分离单元的贫氚腔还通过另一条管路与一个所述氚分离单元的富氚腔连通；一个所述氚分离单元的贫氚腔还与废气收集罐连通；另一个所述氚分离单元的富氚腔还与氚床连通。
14.采用上述进一步方案的有益效果是：氢同位素混合气体可在两个氚分离单元之间循环多次分离，使分离的效果更好，回收的氚气的纯度更高。
15.进一步，一个所述氚分离单元的富氚腔与另一个所述氚分离单元的富氚腔连通的管路上设有单向阀。
16.采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置单向阀，使含氚气体仅能从上一级贫氚腔流向下一级氚分离单元的富氚腔，不能反向流动。
17.进一步，一个所述氚分离单元的富氚腔与另一个所述氚分离单元的富氚腔连通的管路上设有阀门和氚泵；所述氚泵内设有所述储氢材料颗粒；每个所述富氚腔上设有一个氚测量仪。
18.采用上述进一步方案的有益效果是：氚测量仪可实时监测富氚腔中的氚含量，待氚含量达到设定限额后，氚测量仪将测量的信号反馈给控制系统，控制系统打开相应的阀门，通过氚泵中的储氢材料将分离单元的富氚腔内的含氚气体吸收；之后，关闭阀门，将氚泵加热，使氚泵中吸附的氚全部释放至上一级分离单元的富氚腔进行进一步的分离；整个过程可通过氚测量仪对氚含量的监测信号反馈进行全自动控制。
19.进一步，所述钯合金膜包括支撑材料和涂覆在所述支撑材料上的合金涂层；所述合金涂层的材质为pdagaunicuy合金；其中，ag含量为15～30a t.％，au含量为0～10at.％，cu含量为0～10at.％，ni含量为0～2at.％，y含量为0～2at.％，其余为pd。
20.采用上述进一步方案的有益效果是：上述成分的钯合金膜具有良好的分离效率和强度。
21.进一步，所述合金涂层的厚度为1～1000μm。
22.进一步，所述主管路、所述热解腔、所述储存腔、所述真空泵组以及所述氚分离系统的内表面均涂覆阻氚涂层；所述阻氚涂层包括氧化物陶瓷涂层、金刚石涂层、类金刚石涂层、sic涂层以及氮化物涂层中的一种。
23.采用上述进一步方案的有益效果是：通过涂覆阻氚涂层，可以防止气体中的氚对系统造成的损坏。
24.进一步，所述储氢材料颗粒的粒径为1～5mm；所述储存腔与所述主管路的连通处
固定有100～500目的隔离网。
25.采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置隔离网，可以防止储氢材料颗粒进入主管路或其他结构中。
26.本发明提供一种采用上述的系统对废中子靶的氚进行回收纯化方法，包括以下步骤：
27.s1、关闭所述主管路的进气口和出气口；将废中子靶放入所述热解腔中进行加热，得到其释放的气体；
28.s2、所述气体经过所述主管路进入所述储存腔，所述储存腔中的所述储氢材料颗粒吸附所述气体中的氢同位素混合气体；
29.s3、开启所述真空泵组，将所述主管路和所述储存腔中未被所述储氢材料颗粒吸附的杂质气体回收，回收后关闭所述真空泵组；
30.s4、加热所述储存腔至300～500℃，并开启所述主管路的出气口，保温10～40min使所述储氢材料颗粒释放所述氢同位素合气体；
31.s5、所述氢同位素合气体通过所述主管路进入所述氚分离系统的一个所述氚分离单元，并被所述钯合金膜分离为富氚气和贫氚气；所述富氚气经过所述富氚腔流出并被回收，所述贫氚气经过所述贫氚腔流出并被回收。
32.本发明的回收纯化方法，可有效解决废中子靶中氚回收再利用的问题，回收率达90％以上，回收的氚气纯度达99.9％以上。
33.进一步，所述步骤s1中，所述废中子靶的加热温度为300～600℃，加热速率为3～10℃/min，保温时间为40～80min。
34.进一步，所述步骤s3中，开启所述真空泵组，待所述系统中的真空度小于10-6
pa，继续保持所述真空泵组开启30min后，关闭所述真空泵组。
35.进一步，所述步骤s5结束后，开启所述主管路的进气口，关闭所述主管路的出气口；开启所述真空泵组；通过所述主管路的进气口向所述系统中通入惰性气体进行吹扫，使惰性气体携带所述系统中残留的氚气通过所述真空泵组流出，并对流出的气体进行净化。
附图说明
36.图1为本发明的废中子靶的氚回收纯化系统的结构示意图；
37.图2为本发明的废中子靶的氚回收纯化系统中，某一个实施例中，五级氚分离系统的结构示意图。
38.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
39.1、热解腔；2、储存腔；
40.3、氚分离系统；30、钯合金膜；31、第一氚分离单元；32、第二氚分离单元；33、第三氚分离单元；34、第四氚分离单元；35、第五氚分离单元；
41.4、废气收集罐；5、氚床；
42.6、阀门；
43.7、真空泵组；
44.8、净化装置；
45.9、单向阀；
46.10、氚泵；
47.11、氚测量仪；
48.12、主管路。
具体实施方式
49.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
50.如图1所示，包括主管路12，主管路12的两端分别为进气口和出气口，且其中部分别连通热解腔1和储存腔2；主管路12的出气口与氚分离系统3连通；主管路12的中部还连通真空泵组7；储存腔2内设有储氢材料颗粒；氚分离系统3包括至少一个氚分离单元，每个氚分离单元内固定安装一个钯合金膜30；钯合金膜30将氚分离单元的内腔体分隔为富氚腔和贫氚腔。
51.本发明的氚回收纯化系统，通过热解腔1加热废中子靶，使废中子靶释放含有氚的混合气体；含有氚的混合气体通过主管路12进入储存腔2，储存腔2内的储氢材料颗粒可将混合气体中的氢同位素吸收；混合气体中未被吸收的杂质可被真空泵组7通过抽真空的方式分离出系统。之后，加热储存腔2，使储氢材料颗粒释放出氢同位素混合气体；氢同位素混合气体通过主管路12的出气口进入氚分离系统3，并被氚分离单元内的钯合金膜30分离为富氚气和贫氚气；这样，废中子靶中的氚即可被回收和纯化。
52.本发明的氚回收纯化系统具有结构简单、成本低、氚回收效率高等优点，可有效解决废中子靶中氚回收再利用的问题，回收率达90％以上，回收的氚气纯度达99.9％以上。
53.本发明采用的钯合金膜30，由于同位素效应，氢同位素混合气体中，较轻的氢原子和氘原子更容易透过钯合金膜30，而较重的氚原子难透过钯合金膜30，因此，氢和氘在透过钯合金膜30在贫氚腔内富集，而氚在富氚腔内富集。
54.本发明采用的储氢材料颗粒为储氢合金，具体为铀、锆合金、钛合金、lani合金、钒合金、钯合金中的一种或两种以上组合；这些合金能够有效吸收混合气体中的氢同位素。
55.优选的，热解腔1接近主管路12的进气口，储存腔2接近主管路12的出气口。
56.优选的，储存腔2可以为多个，多个储存腔2可以并联在主管路12上；多个储存腔2内的储氢材料颗粒可以为不同材质。
57.上述方案中，优选的，氚分离系统3包括至少两个氚分离单元。
58.具体而言，以两个氚分离单元为例，主管路12的出气口与第一个氚分离单元的富氚腔连通；第一氚个分离单元的富氚腔还分别通过两条管路与第二个氚分离单元的富氚腔和贫氚腔连通；第一个氚分离单元的贫氚腔还与废气收集罐4连通；第二个氚分离单元的富氚腔还与氚床5连通。通过主管路12进入第一个氚分离单元的氢同位素混合气体，先进入该氚分离单元的富氚腔，在第一个氚分离单元的富氚腔内富集的富氚气通过管路循环至第二个氚分离单元的富氚腔内，并再次被第二个氚分离单元内的钯合金膜30分离；在第二个氚分离单元贫氚腔富集的贫氚气通过管道继续循环至第一个氚分离单元内，并继续被第一个氚分离单元内的钯合金膜30分离。
59.这样，氢同位素混合气体可在两个氚分离单元之间循环多次分离，使分离的效果更好，回收的氚气的纯度更高。
60.需要说明的是，主管路12的出气口可以直接与第一个氚分离单元的富氚腔连通。
61.优选的，一个氚分离单元的富氚腔与另一个氚分离单元的富氚腔连通的管路上设有阀门6和氚泵10；氚泵10内设有储氢材料颗粒。一个氚分离单元的富氚腔与另一个氚分离单元的富氚腔连通的管路上设有单向阀9，并且每个富氚腔上设有一个氚测量仪11；各阀门6、各单向阀9、各氚泵10以及各氚测量仪11均与控制系统电路连接。
62.通过设置单向阀9，使含氚气体仅能从上一级贫氚腔流向下一级氚分离单元的富氚腔，不能反向流动。同时，由于两个分离单元之间安装单向阀9，主管路12输出的气体仅可通过单向阀9进入一个分离单元，而不会发生分流不会进入上一级分离单元。
63.氚测量仪11可实时监测富氚腔中的氚含量，待氚含量达到设定限额后，氚测量仪11将测量的信号反馈给控制系统，控制系统打开相应的阀门6，通过氚泵10中的储氢材料将分离单元的富氚腔内的含氚气体吸收；之后，关闭阀门6，将氚泵10加热至200-450℃，使氚泵10中吸附的氚全部释放至上一级分离单元的富氚腔进行进一步的分离；整个过程可通过氚测量仪11对氚含量的监测信号反馈进行全自动控制。
64.优选的，根据最终需要产品的纯度，富氚腔中的氚含量的设定限额为，氚含量下降1％-5％。
65.在本发明的系统中，具有两个氚分离单元的氚分离系统3为二级分离系统；分离系统的级数越高，系统的回收纯化效果越好，回收的氚气纯度越高。
66.理论上，本发明的多个氚分离单元之间可以有多种连通方式。对个氚分离单元原则上只要能够实现富氚气和贫氚气分别能够流经多个氚分离单元，并被多次分离处理即可。
67.特别的，如图2所示，在本发明的某一个实施例中，氚分离系统3为五级分离系统。该氚分离系统3包括第一氚分离单元31、第二氚分离单元32、第三氚分离单元33、第四氚分离单元34、第五氚分离单元35。第一氚分离单元31的贫氚腔与第二氚分离单元32的富氚腔通过管路串联，该串联的管路上设有一个单向阀9，单向阀9可控制管道内的气体由第一氚分离单元31的贫氚腔流入第二氚分离单元32的富氚腔，而不可反向流动。以此类推，直至第五氚分离单元35的贫氚腔与废气收集罐4连通；这样，每个氚分离单元分离出的贫氚气依次单向的通过各分离单元，并最终在废气收集罐4内被收集。
68.每个富氚腔上固定安装一个氚测量仪11。第二氚分离单元32的富氚腔与第一氚分离单元31的富氚腔并联连通，并联管路上分别设有一个阀门6和一个氚泵10。当氚测量仪11监测到其富氚腔中，氚含量下降1％-5％时，将监测的信号传递至控制系统，控制系统控制打开第一氚分离单元31和第二氚分离单元32之间的并联管路上的阀门6，该管路上的氚泵10中的储氢材料将含氚气体吸收；之后，关闭该阀门6，将该氚泵10加热至200-450℃，使氚泵10中吸附的氚全部释放至第一氚分离单元31的富氚腔内，这些气体继续通过第一氚分离单元31内的钯合金膜30以及与第二氚分离单元32的串联管路进行进一步的分离。
69.第二氚分离单元32的贫氚腔与第三氚分离单元33的富氚腔之间的管路与主管路12的出气口连通，氢同位素混合气体由此进入。第一氚分离单元31的富氚腔与氚床5连通。这样，在第三氚分离单元33内初次被分离的富氚气，依次经过第二氚分离单元32和第一氚分离单元31继续去除其中的氢或氘，最终进入氚床5被回收和固定。
70.第五氚分离单元35的富氚腔与第四氚分离单元34的富氚腔、第四氚分离单元34与
第三氚分离单元33的富氚腔之间，也通过上述方式相连通，使贫氚气在经过每个分离单元时，其中的氚能够继续被回收，并最终进入氚床5，从而提高氚的回收率。
71.本发明的钯合金膜30包括支撑材料和涂覆在支撑材料上的合金涂层；合金涂层的材质为pdagaunicuy合金；其中，ag含量为15～30at.％，au含量为0～10at.％，cu含量为0～10at.％，ni含量为0～2at.％，y含量为0～2at.％，其余为pd；上述成分的钯合金膜30具有良好的分离效率和强度。
72.优选的，pdagaunicuy合金中，pd的含量为65at.％，ag的含量为20at.％，au的含量为8at.％，ni的含量为1.5at.％，cu的含量为5at.％，y的含量为0.5at.％。
73.优选的，合金涂层的厚度为1～1000μm。
74.优选的，主管路12、热解腔1、储存腔2、真空泵组7以及氚分离系统3的内表面均涂覆阻氚涂层；阻氚涂层包括氧化物陶瓷涂层、金刚石涂层、类金刚石涂层、sic涂层以及氮化物涂层中的一种；通过涂覆阻氚涂层，可以防止气体中的氚对系统造成的损坏。
75.优选的，储氢材料颗粒的粒径为1～5mm；储存腔2与主管路12的连通处固定有100～500目的隔离网；通过设置隔离网，可以防止储氢材料颗粒进入主管路12或其他结构中。
76.优选的，真空泵组7与净化装置8连通，可将杂质气体收集至净化装置8中，使其被净化。
77.优选的，本发明的系统中，主管路12的进气口设有阀门6；热解腔1与主管路12连通的管路上、储存腔2与主管路12连通的管路上、主管路12的出气口、废气收集罐4的进气口以及氚床5的进气口均设有一个阀门6；通过设置上述阀门，可以对各相应的各结构进行控制，从而使该系统的使用更加灵活可控。
78.优选的，本发明的系统中，所有的管路和装置均为316不锈钢材质。
79.优选的，本发明的系统漏率优于1
×
10-10
pa
·
m3/s。
80.本发明的废中子靶的氚回收纯化方法，采用上述回收纯化系统进行氚回收和纯化，具体包括以下步骤：
81.s1、关闭主管路12的出气口；将超过使用寿命的废中子靶从中子源装置中拆除，并放入热解腔1中进行加热，得到其释放的气体。
82.优选的，加热温度为300～600℃，加热速率为3～10℃/min，保温时间为40～80min
83.s2、气体经过主管路12进入储存腔2，储存腔2中的储氢材料颗粒吸附气体中的氢同位素；
84.s3、关闭热解腔1与主管路12的连通，开启真空泵组7；将气体中未被储氢材料颗粒吸附的杂质气体回收，待系统中的真空度小于10-6
pa，继续保持真空泵组7开启30min后，回收后关闭真空泵组7。
85.s4、加热储存腔2，使储氢材料颗粒释放含有氘气和氚气的氢同位素合气体；
86.s5、开启所述主管路12的出气口，氢同位素混合气体通过主管路12进入氚分离系统3的一个氚分离单元，并被钯合金膜30分离为富氚气体和贫氚气体；富氚气体经过所述富氚腔流出并被回收，贫氚气体经过贫氚腔流出并被回收。
87.优选的，步骤s5结束后，关闭主管路12的出气口。通过主管路12的进气口向系统中通入惰性气体进行吹扫，使惰性气体携带系统中残留的氚气排出系统；收集和净化排出系统的气体。
88.以下通过具体的实施例对本发明进行举例说明：
89.实施例1
90.本实施例处理的废中子靶是以无氧铜作为衬底材料的中子靶，直径为100mm，中子靶钛膜厚度为3μm。
91.采用本发明的氚回收纯化方法进行处理。本实施例采用的系统中，氚分离系统3为三级分离系统，即具有三个分离单元。
92.本实施例采用的方法，步骤s1中，将热解腔1加热至450
±
50℃，加热速率为3
±
1℃/min，保温40min。
93.经过回收纯化后，最终获得的氚气利用气相色谱检测其纯度达到99.59％，纯度满足使用要求。
94.实施例2
95.本实施例处理的废中子靶是以crzrcu合金作为衬底材料的中子靶，直径为260mm，钛膜厚度为2μm。
96.采用本发明的氚回收纯化方法进行处理。本实施例采用的系统中，氚分离系统3为二级分离系统，即具有两个分离单元。
97.本实施例采用的方法，步骤s1中，将热解腔1加热至350
±
50℃，加热速率为5
±
1℃/min，保温40min。
98.将最终获得的氚气利用气相色谱检测其纯度达到99.2％，纯度满足使用要求。
99.实施例3
100.本实施例处理的废中子靶是以钼合金作为衬底材料的中子靶，直径为150mm，锆膜厚度为3μm。
101.采用本发明的氚回收纯化方法进行处理。本实施例采用的系统中，氚分离系统3为四级分离系统，即具有四个分离单元。
102.本实施例采用的方法，步骤s1中，将热解腔1加热至450
±
50℃，加热速率为5
±
1℃/min，保温40min。
103.将最终获得的氚气利用气相色谱检测其纯度达到99.99％，纯度满足使用要求。
104.通过上述实施例可以看出，本发明的系统和方法，对于不同衬底材料的废中子靶，均具有良好的氚回收效率和纯化效果。各实施例回收的氚的纯度均大于99％，满足氚的回收要求。
105.在本发明的描述中术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
106.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和组合。
107.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
108.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。