联合电解催化交换系统分离氢同位素影响因素研究

利用建立起来的理论模型,深入研究了联合电解催化交换（Combined Electrolysis and Catalytic Exchange,CECE）工艺中各种因素对氢同位素分离性能的影响。电解池分离因子的提高对浓缩倍数和脱氚率均有显著影响,降低电解池滞留量是提高浓缩倍数的有效手段。进料位置在1．5m处系统性能好于3m处;催化剂传质系数在3—4mol·m-3·s-1范围内,浓缩倍数和脱氚率基本呈线性增长。各种因素对HD／H2O和HT／H2O两个体系的影响具有相似的规律性,由于热力学因素的差异,相同条件下,HT／H2O体系分离性能好于HD／H2O。     

联合电解催化交换系统HD／H2O和HT／H2O体系模拟

计入蒸汽的影响，研究建立基于两步传质的联合电解催化交换系统模型，计算HD／H2O和HT／H2O两个体系的分离性能。传质系数的提高能显著改善交换系统的整体性能，电解池浓缩倍数与电解池滞液量有关。电解池中氘浓度的增长最终将引起交换系统脱氘率的下降，这一现象表明，在交换系统操作模式选择以及与后级浓缩系统的级联匹配中，对交换系统的动态行为必须予以特别关注，并应在交换床设计中考虑此因素。     

联合电解催化交换系统HD/H2O和HT/H2O体系模拟

计入蒸汽的影响，研究建立基于两步传质的联合电解催化交换系统模型，计算HD/H₂O和HT/H₂O两个体系的分离性能。传质系数的提高能显著改善交换系统的整体性能，电解池浓缩倍数与电解池滞液量有关。电解池中氘浓度的增长最终将引起交换系统脱氘率的下降，这一现象表明，在交换系统操作模式选择以及与后级浓缩系统的级联匹配中，对交换系统的动态行为必须予以特别关注，并应在交换床设计中考虑此因素。     

Design Study of Feasible Water Detritiation Systems for Fusion Reactor of ITER Scale

Two types of water detritiation systems have been designed for fusion reactors of ITER scale. One of the systems is a combination of WD (Water Distillation) and VPCE(vapor phase catalytic exchange) columns. The other is a combination of a WD column and a CECE(combined electrolysis catalytic exchange) column. Three water distillation columns are needed for the former system. The total height of the three columns is 106 m. The height of the water distillation and CECE columns for the latter system are 20 and 24m, respectively. These large water distillation columns result in the larger tritium inventory of the former system than for the latter system. However, there have been the results for the operation of the actual scale of the water distillation and VPCE columns. No demonstration test has been carried out for the CECE column. From these reasons, the WD+VPCE system should be the first candidate for the fusion reactor. The WD+CECE system is superior to the WD+VPCE system for the flexibility in design as well as the tritium inventory. It is desired to demonstrate the CECE column to develop the water detritiation system best suited to the fusion reactors.     

氢—水液相催化交换法脱氚

对疏水催化剂的设计与制备方法及氢－水液相交换反应过程进行了讨论,并概要评述了以常温氢－水催化交换法进行重水脱氚的液相催化交换（LPCE）及其联合电解的催化交换（CECE）工艺流程。     

Ni基催化剂的氢-水汽相催化交换性能

汽相催化交换(VPCE)是水除氚的重要手段之一,本研究采用金属Ni替代常用的贵金属Pt作为逆流型VPCE工艺的催化剂,研究了其在多种实验条件下HDO-H2反应体系中的静态及动态催化交换性能。实验结果表明:静态实验时,催化剂在温度大于200℃、压力和反应物浓度的摩尔比值(HDO∶H2)越大的条件下,催化交换反应向正方向移动,催化性能更好;在Ni高负载率的情况下,其催化性能优于Pt基催化剂。动态实验时,产物平衡氘浓度与静态实验一致,H2中氘摩尔浓度均为1%左右;且进料比例对结果的影响规律与静态实验一致,反应物HDO越多,产物氘浓度越大。本研究表明了纯Ni催化剂在HDO-H2催化交换反应体系中有着较为明显的催化作用,可以替代传统贵金属Pt作为逆流型VPCE工艺的催化剂。     

氢-水同位素催化交换速率及过程模拟的研究进展

氢-水同位素催化交换在处理ITER聚变堆废水以及核裂变反应堆重水升级方面具有应用前景。该交换过程及核心设备催化交换塔的模型化研究,对工艺和工程优化设计具有十分重要的意义。本文重点介绍了氢-水同位素催化交换过程模拟的研究进展,讨论了同位素催化交换速率的计算方式以及吸收塔模型和滴流床模型在同位素催化交换过程模拟中的应用,探讨了氢-水同位素催化交换过程模拟今后的研究方向。通过各类模型的比较,滴流床模型被认为在催化交换过程模拟中有良好应用前景。氢-水同位素催化交换机理及速率计算方法和催化交换塔模型化等方面有待进一步研究。     

水-氢同位素液相催化交换反应过程

描述了水氢同位素液相催化交换反应的模型,并从动力学和反应过程的角度对模型进行了实验验证。验证结果表明:水氢同位素液相催化交换是一个较复杂的传质反应的串联过程,主要包括汽液相间转化和氢同位素催化交换两个反应。     

氢-水同位素交换分离因子理论计算

采用量子化学从头计算法计算得到氢水同位素交换体系HDg／H2O1和DTg／D2O1在O．1MPa、283．2～373．2K下的气相反应平衡常数，并根据相应同位素水的饱和蒸气压求得气液交换过程的分离因子，得出了两种氢水同位素交换体系总反应分离因子。     

Enrichment and Volume Reduction of Tritiated Water Using Electrolysis Cell Having Hydrogen Permeable Cathode

The electrolysis rate and the separation factor for hydrogen isotopes are measured using the electrolysis cell having the hydrogen permeable cathode. As the hydrogen gas without the vapor of electrolyte is obtained by this method, decrease of the apparent separation factor by mixing with vapor can be avoided. It is also observed in this study that enrichment and volume reduction of tritiated water using the bipolar electrode electrolysis cell is effective because it gives small loss of tritium from the cell during volume reduction. The separation factor obtained in this study indicates that attachment of two or three sub-cells is enough for volume reduction of tritiated water.     

重水中氢氧同位素的质谱分析

用高分辨率质谱计分析了重水中氢与氧的同位素组成；分析了重水的分子组成、质谱中的单电荷离子；利用高分辨率质谱峰相对强度，计算了重水中的氢氧同位素组成。结果表明，高分辨率质谱法分析重水，可同时分析其中的氢同位素和氧同位素，并且用样量小，结果可靠。