吸附温度低于273 K的Pd/k柱TCAP全回流实验研究

为满足实验室规模的氢同位素分离需求,对少量氚（小于3.7×10¹³ Bq）的高效氢同位素分离方法进行了研究。采用TCAP全回流工艺,将钯/硅藻土（Pd/k）填充色谱柱（长2 m,外径6 mm）吸附H-D混合气体（D丰度为50%）的温度控制在273 K以下,经多次加热 冷却循环后,从分离柱前、后两端加热各提取15%样品气,利用低温色谱法对样品气进行氢同位素丰度分析,对色谱柱的分离性能进行评价。研究结果发现,原料气进入填充柱后（全回流之前）尾端提取气的氘丰度约为98.5%,经5个全回流循环（循环总时间为1.25 h）后,尾端提取气的氘丰度达99.9%。经15个全回流循环后,前端提取气的氘丰度由50%（原料气氘丰度）降至13.6%。通过实验数据对柱中氘分布进行了理论模拟,发现进样速率过快可能是导致前端提取气氘丰度过高的主要原因,柱中氘丰度最低点可能出现在色谱柱的中部。     

双柱周期逆流法分离氢同位素

将具有正、反氢同位素效应的2种贮氢材料Pd和LaNi_4.7Al_0.3结合,组成双分离柱,测试了原料气氘原子摩尔分数为0.5和0.1的2种混合气体的流出曲线,并进行了周期逆流方式的分离实验。实验结果表明,该分离方法具有较高的分离效率,产品气的氘原子摩尔分数一般大于0.995。改进方式后分离氘原子摩尔分数为0.1的原料气,产品气的最大氘原子摩尔分数为0.998,最大氘富集比为9.98,氘的回收率为92.5%,尾气中氢原子摩尔分数大于0.996,全分离因子大于120 000。     

多钯柱热置换色谱法分离氢同位素

采用多钯柱热置换色谱法建立了一套氢同位素分离的实验装置,研究了钯柱活化时间、原料气的组成及高丰气体的提取比例对分离效果的影响.结果表明,钯柱在500～550℃活化3h,分离温度选定250℃,升温速率10℃/min,在适中的提取比例下,高丰气体可获得最佳的分离效果,该系统能快速地将产品气中氕的体积分数降到1.0％以下.     

TCAP氢同位素分离装置的小型化及分离性能

根据TCAP氢同位素分离原理及系统小型化要求,设计了一套小型氢同位素分离装置。采用分离柱外室中螺旋型电阻加热器对Pd/K分离柱进行加热,利用低温恒温槽中的低温无水乙醇在外室中循环冷却分离柱。采用西门子PLC模块,根据程序设定对TCAP分离过程进行自动控制。在参数优化的条件下,研究了全回流及生产模式下的分离效率。研究发现,设计的小型氢同位素分离系统实现了稳定的分离柱加热-冷却循环,循环时间为0.25 h。在生产模式下,由氘纯度为80%的原料气可分离出氘纯度99.5%产品气,生产效率可达8.7 mL/h。低氘含量H-D混合气（D%=20%）同样能实现明显的氘浓缩效果（产品气D含量达99.0%）。     

利用D-D核反应对氘在钯中沉积行为的研究

氢同位素在钯中的沉积行为与它在钯靶中的溶解度、扩散速率以及缺陷的束缚有关。为研究氘离子在钯中的沉积行为,利用氘离子诱发D-D核反应的方法研究了氘在钯中的动态和静态浓度,并建立扩散模型对实验结果进行了分析。研究发现,除稳定束缚在缺陷中的氘之外,束流注入时动态氘浓度还包含自由扩散的氘以及非稳定束缚态氘;自由扩散的氘以及非稳定束缚态氘随着氘离子的注入而增加,当注入达到饱和后,这两部分氘浓度处于动态平衡状态,停束后将迅速减少直至消失;由于辐照损伤所造成的缺陷存在饱和值,稳定束缚在缺陷中的静态氘浓度为x=(0.42±0.03)%;结合模拟计算,发现钯的缺陷对氢同位素的吸附系数、解吸附系数及其比值k_A/k_D与材料损伤特性及氢同位素的注入方式有关。     

氚老化对钯钇合金膜氢渗透性能的影响

在聚变堆燃料循环系统中,钯合金膜将被用于氢同位素与杂质气体间的渗透分离以及含氚杂质中氚的催化回收。长期连续的氚操作将使合金膜体内因氚衰变而累积3He,产生氚老化效应。本工作研究了贮氚老化对Pd8.5Y0.19Ru（原子百分数）合金膜的氕、氘渗透性能的影响。研究结果表明：对于膜内体氦浓度He/M为0.042的氚老化膜,在573～723K温度范围内,氕、氘渗透率被严重降低,膜的氕氘渗透分离系数则有所提高。     

氢同位素催化交换过程影响因素研究

氢-水催化交换反应是研究氢同位素分离的重要手段,对反应过程中各影响因素的研究是氢同位素分离工作中的重要内容。在自行设计的不锈钢催化交换柱中,装填一定体积比的疏水催化剂与亲水填料,进行H-D体系气液催化交换实验。观察反应温度、气液摩尔比、不同原料水氘浓度对传质系数的影响,讨论了气体流速对床层压力降的影响情况。结果表明,不同气液比下,反应温度为45°C时传质系数最高。传质系数随原料水氘浓度(5.05 20.1)×10 3增加而降低,传质系数在0.58 1.17和2.65 3.56随着气液摩尔比而增加,催化交换柱床层压力降随气体流速而增加。研究发现,反应温度、气液摩尔比和氘浓度等因素均会影响氘的传质系数。     

钯合金管气相色谱-质谱联合分析

本文介绍了使用氢载气钯合金管分离器作为色谱-质谱联用的过渡装置的试验情况。通过纯化器,杂质含量小于0.1ppm;分离器性能效率约为100%,浓缩系数为2.0×10~2。用本装置做了氦和甲烷混合气体的分析,并对工作温度、压差、残留氢量和连接管路的死体积等进行了讨论。     

基于氢同位素研究商用钯银合金膜的渗氚性能

钯银合金膜可用于熔盐堆尾气中气态氚（HT和T₂）的分离与纯化。本文研究了厚度为80 μm的钯银合金膜在纯H₂气氛中及Ar气存在下对H₂的分离效果。结果表明,渗氢过程中氢原子在膜内部的体相扩散是控制速率的关键。Ar气存在时,在钯银合金膜工作温度为480 ℃、混合气体进气流速为100 mL/min、氢分压差为20～100 kPa的条件下,钯银合金膜对H₂气的渗透通量随氢分压差的增大而增加,随Ar气浓度的升高而减小。在氢分压差相同的条件下,纯氢的渗透通量明显高于Ar-H₂混合气的渗透通量,说明钯银合金膜受Ar气的影响分离效果变差。渗氢后的钯银合金膜表面变得光滑,有晶界形成。     

氘氚燃料气体氕纯化系统设计及工艺初探

在惯性约束聚变氘氚冷冻靶制备中,对氘氚原料气中氕含量有严格限制。为控制少量燃料中氕含量,有必要开展相关氢同位素分离研究及工程研制。根据热循环吸附(Thermal Cycling Absorption Process,TCAP)原理及前期冷实验数据,研制了一套小型纯化热实验系统。系统内配置了一根长2 m、外径6.4 mm的钯/硅藻土填充柱用于对氕的过滤。按照纯化工艺设计,占总吸附量10%的原料气从填充柱一端输入,经过一次加热冷却循环后从柱另一端输出,氕在色谱柱内累积,进而实现原料气的纯化。经过纯化工艺初步探索,连续输入33次原料气后,柱内氕含量由12%累积到了52%,产品气中氕含量由12%降至3%,氘氚燃料回收率为82.5%,实现了柱内氕的有效富集,以及氘氚气体中氕的有效过滤。     

Ti-Mo互扩散界面吸氢同位素效应的离子束分析研究

为探究Ti-Mo互扩散对金属吸氢的影响,本文采用离子束分析方法对Ti-Mo薄膜的膜-基互扩散界面的吸氢同位素（H和D）效应进行了研究。通过氩离子刻蚀减薄的方法有效降低了表面碳、氧杂质对样品吸氢的影响。吸氢结果表明,对于表面洁净的样品,氢化后固相中氢或氘的浓度均沿着深度随钼原子含量的增加而减小。在单一气体吸氢实验中,氢原子浓度减小的趋势较氘原子缓慢;而在氢氘混合气体吸氢实验中,当容器中的氢氘压强比p(H2)∶p(D2)≥05∶1时,固体中氘氢浓度之比随钼浓度的增加而降低,但当p(H2)∶p(D2)<05∶1时,氘氢浓度之比随钼浓度的增加而升高。因此,由于Ti Mo界面的互扩散,吸氢出现了显著的氢同位素效应,钼的存在不利于体系对氢同位素气体的吸收。     

Characteristic of Two-phase Slanting Flow in Rod Bundle

Palladium membrane has been studied for sepration and purification of hydrogen isotopes because of its large permeability. In order to consider permeation of mixture of hydrogen isotopes, solubilities of protium and deuterium in palladium were studied in the temperature range of room temperature to 500°C using breakthrough method. It was observed that solubilities were represented by Sieverts' law and that the separation factor of protium-deuterium binary system was different from the isotope effect ratio. The ideal adsorbed solution theory by Myers and Prausnitz can be applied to estimate the separation factor of protium-deuterium binary system in palladium using the isotope effect ratio observed when protium and deuterium are handled independently. The permeation behavior of multi component hydrogen isotopes through palladium membrane is discussed applying observation on solubilities of this work.     

Observation of H/D isotope effects on polymer electrolyte membrane fuel cell operations

The hydrogen isotope effects upon operation of a polymer electrolyte membrane fuel cell have been observed. The deuterium concentration in the exhaust hydrogen gas from the cell was found lower than that of the hydrogen gas fed to the cell, which indicated that the heavier isotope of hydrogen was preferentially oxidized at the anode. The overall hydrogen isotopic separation factor between the oxidized and non-oxidized hydrogen ranged from 3.46 to 3.99 and increased with decreasing flow rate of the feed gas or increasing rate of hydrogen utilization.     

低温制备气相色谱法分离氢同位素

介绍了采用低温制备气相色谱法以Al2O3装填分离柱进行氢同位素分离的装置。研究了氢同位素分离色谱柱(Al2O3分离柱)的制备和操作步骤，并对其分离效果进行了讨论。实验结果表明：经分离、净化后，氘纯度可达99．9％以上。该装置具有结构简单、操作费用低、一次性投资少等优点，在那些对氢同位素纯度要求高，用量小的部门或实验室有良好的应用前景。该装置不仅可用于氢氘分离，还可用于氘氚分离。     

金属氢化物法分离氢同位素研究进展

简要介绍了近50多年来金属氢化物法氢同位素分离研发进展和现状。基于金属氢化物法在化学吸附平衡上的差异,各国发展了多种增强该吸附差异的氢同位素分离方法,并对相关吸附材料进行了研究。本文主要介绍了金属氢化物分离氢同位素方法的产生、发展简史,以及各国相关研究的特点和最新进展,并对今后的氢同位素分离研究发展提出初步的想法。     

热循环吸附法分离氕、氘的研究

对热循环吸附法(TCAP)全回流模式和生产模式下的氕 氘分离实验进行了研究。全回流模式下,主要考核了初始进料比、冷/热循环温度、进料位置对分离效果的影响。结果表明,原料气体从分离柱中部进料时,初始进料比相对越大,冷/热循环温差越大,分离效果越好;而从回流柱进料时,分离效果相对更好。在几组实验中,回流柱初始进料为90%、冷/热循环温度分别为56 ℃/290 ℃的一组效果最好。生产模式下,由于分离柱中气阻较大,有可能影响氕、氘的分离效果,这部分实验还有待继续进行。     

电解-精馏级联分离H2／HD过程的理论分析

为研究电解精馏级联氢同位素分离过程的规律性,建立了电解-精馏级联的微分模型,计算了H2／HD系统的分离行为,并获得了电解和精馏过程中系统的浓集行为,即,电解池中HDO摩尔分数从2．88×10^-4增长到8．35×10^-4精馏柱再沸器中HD摩尔分数达到0．033。随时间的延长,脱氘率下降,在精馏柱上HD的摩尔分数整体抬升。进一步研究了回流比对脱氘率的影响,结果显示,回流比为3～7时,平均脱氘率可达0．9828～0．9973。实验结果表明,电解-精馏级联分离氢同位素有明显的浓集效应。