一種從氚化水中回收氚的裝置及其實現(xiàn)方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種從氚化水中回收氚的裝置及其實現(xiàn)方法。
【背景技術】
[0002]氚工藝實驗室在常規(guī)運行狀態(tài)或氚泄漏應急處理狀態(tài)下都會產生不同活度的氚化水(ΗΤ0)。氚化水中的氚無法直接使用，必須將其轉化為單質態(tài)氚(HT)，才能作為核燃料獲得重新利用。并且，氚化水相對于單質態(tài)氚更容易被人體器官吸收，這會導致更大的放射劑量，其劑量系數(shù)是單質氚的25000倍。因此，從資源利用和環(huán)境安全兩方面考慮，都必須將氚化水轉化為單質態(tài)氚，以實現(xiàn)氚的回收。
[0003]目前，從氚化水中回收氚的方法主要有如下幾種:電解、同位素交換、熱金屬分解法。電解法可以直接將ΗΤ0轉化為HT，其原理是在電場作用下直接發(fā)生水分解反應:2HT0=2HT+02。代表發(fā)展方向的主要包括聚合物電解(SPE)和高溫陶瓷電解(S0EC)兩類，該方法需要高性能的質子膜和電極，技術成熟度不高，還處于發(fā)展階段。同位素交換法采用的是催化交換膜反應器(PERMCAT)，由Pd合金滲透膜和催化劑床組成。利用同位素交換原理，含ΗΤ0的氣體進入催化劑床，而&或C0以逆流模式進入滲透膜側，滲透側維持負壓，反應原理為:H2+HT0 = Η20+ΗΤ或C0+HT0 = HT+C02；HT富集在滲透管出口端，從而實現(xiàn)回收。該方法需要高性能的滲透膜和催化劑，成本較高，運行過程控制較為復雜。
[0004]熱金屬法采用具有還原性的金屬或者合金，其反應原理為:xM+HT0 = MxO+HT。含ΗΤ0的氣體通過反應床層后，水中的氧以金屬氧化物的形式被截留在金屬床中，水中的氫同位素變?yōu)镠T。該方法不需要引入復雜的機械體系，具有體積小、初始投入成本低和安全可靠等優(yōu)點。因此從經濟性和技術成熟度考慮，該方法適合用于從氚化水中回收氚。但采用傳統(tǒng)的活性金屬(Mg、Zr等)或合金填料(ZrN1、ZrMnFe等)，床體失效后會形成固體含氚廢物，增加后續(xù)處理負擔；因此有必要對該方法進行優(yōu)化設計，并對氚化水中氚回收方案進行整體設計，從而不但能夠實現(xiàn)氚的高效回收，而且能夠避免產生固體廢物。

【發(fā)明內容】

[0005]針對上述技術的不足，本發(fā)明提供了一種從氚化水中回收氚的裝置，具有能夠高效回收氚、且不產生固體廢物的優(yōu)點。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0007]—種從氚化水中回收氚的裝置，包括通過管道依次連接的氣體循環(huán)栗、裝有惰性載氣的緩沖罐、裝有氚化水的氚化水存儲罐、填裝有鐵粉的第一水分解床、填裝有5A分子篩的第一吸附床以及填裝有鋯系儲氫合金的第一儲氫床；所述第一儲氫床還回連于氣體循環(huán)栗。
[0008]進一步地，所述氚化水存儲罐為鼓泡器結構。
[0009]為實現(xiàn)水分解床的連續(xù)處理，本發(fā)明還包括與第一水分解床并聯(lián)、并且也填裝有鐵粉的第二水分解床；所述第一水分解床和第二水分解床各自的輸入端與輸出端均設有閥門。
[0010]為實現(xiàn)吸附床的連續(xù)處理，本發(fā)明還包括與第一吸附床并聯(lián)、并且也填裝有5A分子篩的第二吸附床；所述第一吸附床和第二吸附床各自的輸入端與輸出端也均設有閥門。[0011 ] 再進一步地，所述緩沖罐與氚化水存儲罐之間的管道上也設有閥門，并且該閥門兩側均設有用作吸附床再生回路的支路，其中，靠近緩沖罐的支路同時與第一吸附床和第二吸附床各自的出氣口連通，而靠近氚化水存儲罐的支路則同時與第一吸附床和第二吸附床各自的進氣口連通。
[0012]為實現(xiàn)儲氫床的連續(xù)處理，本發(fā)明還包括與第一儲氫床并聯(lián)、并且也填裝有鋯系儲氫合金的第二儲氫床；所述第一儲氫床和第二儲氫床各自的輸入端與輸出端也均設有閥門。
[0013]基于上述裝置結構，本發(fā)明還提供了該從氚化水中回收氚的裝置的實現(xiàn)方法，包括以下步驟:
[0014](1)分別開啟第一水分解床、第一吸附床和第一儲氫床各自的輸入端和輸出端的閥門，關閉第二水分解床、第二吸附床和第二儲氫床各自的輸入端和輸出端的閥門；
[0015](2)開啟氣體循環(huán)栗，氣體循環(huán)栗將緩沖罐中的惰性載氣送入到氚化水存儲罐中；
[0016](3)氚化水存儲罐中的氚化水以鼓泡模式轉移到載氣中，液態(tài)氚化水轉化成氚化水蒸汽，然后載氣進入到第一水分解床中，將第一水分解床溫度加熱至400°C，使載氣中的大部分氚化水蒸汽與鐵粉發(fā)生氧化反應，生成四氧化三鐵和含氚氫氣；
[0017](4)含氚氫氣進入到第一吸附床中，由第一吸附床吸附殘余的水蒸汽，得到干燥的含氣氫氣;
[0018](5)干燥的含氚氫氣進入到第一儲氫床中，并由其中的鋯系儲氫合金吸附；
[0019](6)循環(huán)步驟⑵?(5)。
[0020]進一步地，所述步驟￠)中，若第一水分解床中的鐵粉全部生成四氧化三鐵，導致第一水分解床失效，則關閉第一水分解床輸入端和輸出端各自的閥門，打開第二水分解床輸入端和輸出端各自的閥門，使載氣進入到第二水分解床中繼續(xù)進行氧化還原反應；同時，將第一水分解床溫度加熱至500°C以上，然后向第一水分解床中持續(xù)通入高純氫氣，使其與四氧化三鐵發(fā)生還原反應，生成金屬鐵，使第一水分解床再生。
[0021]再進一步地，所述步驟(6)中，若第一吸附床吸附飽和，則關閉第一吸附床輸入端和輸出端各自的閥門，打開第二吸附床輸入端和輸出端各自的閥門，使含氚氫氣進入到第二吸附床中，由第二吸附床繼續(xù)吸附水蒸汽；同時，打開連接第一吸附床的再生回路上的閥門，關閉緩沖罐與氚化水存儲罐之間的管道上的閥門，將第一吸附床溫度加熱至300°C以上，使干燥的惰性載氣以相反的氣流方向進入第一吸附床，將其解吸的氚化水送入到氚化存儲罐中，同時使第一吸附床再生。
[0022]更進一步地，所述步驟(6)中，若第一儲氫床吸附飽和，則關閉第一儲氫床輸入端和輸出端各自的閥門，打開第二儲氫床輸入端和輸出端各自的閥門，使干燥的含氚氫氣進入到第二儲氫床中，由第二儲氫床繼續(xù)吸附含氚氫氣；同時，將第一儲氫床溫度加熱至300?500°C，使含氣氫氣吸熱解吸為氣態(tài)含氣氫氣，然后將含氣氫氣從第一儲氫床中向外轉移，使第一儲氫床再生。
[0023]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0024](1)本發(fā)明結構簡單、設計合理，其采用了氣-固反應原理，通過有效的結構設計，直接將氚化水分解為含氚氫氣，這相對于電解法、氫同位素交換法來說，器件加工制造容易實現(xiàn)，運行控制也更加簡單，因此具有建造成本低和運行成本低的優(yōu)勢。
[0025](2)本發(fā)明采用鐵作為水分解材料，充分利用了鐵的可逆反應特性，氧化階段金屬鐵與氚化水反應生四氧化三鐵和含氚氫氣，還原階段四氧化三鐵與氫氣反應生成金屬鐵和水，填料可以反復使用，無需更換，不產生固體廢物，降低了成本的投入。
[0026](3)本發(fā)明中氚化水存儲罐采用鼓泡器結構設計，載氣進入液體內部，載氣在后續(xù)流動過程中，將以氣泡的形式從液體中逸出，氚化水會轉移到載氣中，如此一來，在可以確保操作安全性的同時，可以很好地將液態(tài)氚化水轉化為氚化水蒸汽，以便其中的氚能夠很好地被后續(xù)的固定床分解和吸收。
[0027](4)本發(fā)明采用密閉體系，裝置輸出的產品是純組分的含氚氫同位素氣體；運行過程中惰性載氣采用循環(huán)模式，不會向環(huán)境排放含氚氣體廢物，因此安全性高、操作彈性大，可以滿足不同濃度氚化水中氚回收需求。
[0028](5)本發(fā)明并聯(lián)設置了水分解床、吸附床和儲氫床，采用雙床交替的工作模式，能夠實現(xiàn)氚的連續(xù)回收。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
[0030]圖2為本發(fā)明的一種使用狀態(tài)圖。
[0031]圖3為本發(fā)明的另一種使用狀態(tài)圖。
[0032]其中，附圖標記對應的零部件名稱為:
[0033]1-氣體循環(huán)栗，2-流量控制器，3-緩沖罐，4-氚化水存儲罐，5-第一水分解床，6-第二水分解床，7-第一吸附床，8-第二吸附床，9-第一儲氫床，10-第二儲氫床。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，本發(fā)明的實施方式包括但不限于下列實施例。
[0035]實施例
[0036]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種可以從氚化水中回收氚的裝置，主要應用于核設施氚化學與氚工藝中。本發(fā)明包括通過管道依次連接的氣體循環(huán)栗1、流量控制器2、緩沖罐3、氚化水存儲罐4、第一水分解床5、第一吸附床7以及第一儲氫床9 ;并且第一儲氫床9還回連于氣體循環(huán)栗1。
[0037]所述的緩沖罐3中裝有惰性載氣，在氣體循環(huán)栗1的驅動下，惰性載氣可以進入到氚化水存儲罐4中，而流量控制器2則用于控制載氣的流量和流速，確保操作的安全。所述的氚化水存儲罐4采用鼓泡器結構設計，罐體和進出管道均為不銹鋼管，入口管道伸入到罐體底部，出口端道位于罐體頂部。氚化水存儲罐4中裝有氚化水，當載氣進入到氚化水存儲罐4時，在氚化水存儲罐的鼓泡結構作用下，將以氣泡的形式從液體中逸出，氚化水轉移到載氣中。
[0038]所述第一水分解床5中填裝有鐵粉作為填料，其用于水分解氚化水，獲得含氚氫氣。所述第一吸附床7中填裝有5A分子篩作為填料，其用于去除含氚氫氣中的水蒸汽。所述第一儲氫床9中填裝有鋯系儲氫合金，其用于吸附含氚氫氣中的氫同位素氣體。
[0039]此外，本發(fā)明還并聯(lián)設置了第二水分解床6、第二吸附床8和第二儲氫床10，第二水分解床6、第二吸附床8和第二儲氫床10中同樣依次填裝有鐵粉、5A分子篩和鋯系儲氫合金。如此設計目的是為了能實現(xiàn)水分解床、吸附床和儲氫床之間兩兩交替運行工作，即:當一個床體處于工作狀態(tài)的同時，另一個床體處于再生狀態(tài)，這樣便可實現(xiàn)整個裝置的連續(xù)運行。具體地說，所述第一水分解床5和第二水分解床6各自的輸入端與輸出端均設有閥門；第一吸附床7和第二吸附床8各自的輸入端與輸出端均設有閥門；第一儲氫床9和第二儲氫床10各自的輸入端與輸出端也均設有閥門。通過相應閥門的控制，