工业废氦气提纯技术探讨

氦气为稀缺性战略资源,工业上使用的氦气其尾气大多直接排放,有必要对氦气进行提纯循环再利用.文中对目前工业化排放的废氦气的回收进行了大量市场调研,针对各自的使用特点,提出了不同的废氦气提纯方法,综合分析比较了这些方法的应用原理、各自优缺点及工程化分析,给出了几种典型的氦气提纯工艺方法.     

浮空器氦气纯化方法应用研究

在浮空器使用过程中,外界空气的混入将导致其内部氦气纯度降低,从而影响到浮空器正常使用.文中通过对常用气体分离方法的分析研究,提出了以高压低温冷凝和低温吸附相结合的方式作为浮空器氦气提纯方式的思路,并详细给出了实现工艺流程和控制方案.换热计算结果表明:该纯化方法液氮消耗量小、氦气提纯成本低.     

系留气球内囊氦空二元气体浓度分布特性试验研究

长期的氦气漏损和空气渗透使得体积一定的系留气球剩余浮力下降,为保证系留气球安全性,必须进行氦气提纯.为了提高氦气纯化的费效比,有必要开展系留气球内囊氦气的气体浓度分布规律研究.基于系留气球内囊气体的组成分析和系统技术指标要求,文中提出了一种适用于系留气球内囊氦气浓度分布特性研究的试验,给出了详细的试验方法并分析试验结果...     

系留气球系统氦气纯化工艺设计

基于系留气球内囊气体的组成成分分析和技术指标要求,综合分析目前现有的三种成熟提纯工艺方法:低温分馏、变压吸附和膜分离的工艺流程方法,针对系留气球的在线操作可行性,提出了一种适用于系留气球内囊氦气在线纯化的技术,给出了详细的工艺实现方法.结果表明:该方法非常高效且性价比较高.     

CAEP FEL-THz2K低温系统氦气循环利用研究

中国工程物理研究院(CAEP)2K低温系统中,要对低纯度氦气进行回收和除杂。基于高压低温冷凝和吸附的方法,建成了一套氦气回收与纯化循环利用装置,单次回收低纯度氦气量为20Nm~3,低纯度氦气储存能力为1000Nm~3,纯化能力为20Nm~3/h,高纯氦气储存能力为3000Nm~3,能将粗氦气纯度从98%提升至优于99.9995%。实际运行表明,处理后的氦气纯度满足低温系统要求,较好地实现了氦气循环再利用,降低了系统对外部氦源补充的依赖。     

CAEP FEL-THz低温系统氦气纯化方法研究

鉴于氦的稀缺性,中国工程物理研究院高平均功率太赫兹大型科研装置(CAEP FEL-THz)低温系统中,必须除去回收粗氦中的杂质,以实现循环再利用。文中通过对常规氦气分离方法的比较和对低温系统低纯度氦气中所含杂质成分的分析,提出了一种基于高压低温冷凝分离和吸附的氦气纯化方法,旨在将低纯度氦气的纯度提升至满足低温系统使用的要求。据此,初步设计了一套氦气纯化系统,介绍了其工艺流程和主要部件。     

大型液氦杜瓦结构设计与漏热分析

为了维持较低的液氦蒸发率,对液氦杜瓦的整体结构设计及漏热要求极高。本文建立了以蒸发冷氦气作为冷屏冷源的杜瓦的结构强度设计以及绝热系统设计方法,利用三维软件建模、仿真软件进行热传导、热固耦合仿真分析,对液氦杜瓦的结构强度、漏热进行了系统分析,实现了容积为4 000 L时漏热为1.37 W、日蒸发率为1.15%气冷屏结构的液氦杜瓦,为蒸发氦气为冷屏的大型液氦杜瓦提供了设计思路。     

氦气回收纯化系统的设计与应用

为实现激波风洞试验尾气氦气(氦含量>80%)的回收和循环利用，研制了一套氦气回收与纯化系统。该系统采用三塔真空变压吸附的技术将试验尾气中的氮气等杂质气体去除，得到纯度大于98%的氦气。系统采用开式纯化和闭式纯化相结合的工艺方式，将氦气的回收率提高到97%。系统调试结果表明，研制的氦气回收纯化系统在常温条件下实现了风洞试验尾气的回收、纯化和循环使用，有效地降低了风洞运行和维护成本，同时也节约了氦气资源。     

量子真空计量标准中的非极性稀薄气体折射率测量研究

为进一步提高真空量值的复现性和准确性,最新研究采用量子技术实现对真空量值的测量与表征.该方法利用Fabry-Perot谐振腔实现腔内气体折射率的精密测量,并反演出气体密度,进而获得对应的真空量值,其中气体折射率的测量是影响真空量值准确性的关键.本文基于第一性原理,利用从头计算理论计算了在已知压力和温度条件下的氦气折射率,给出腔内气体压力与折射率关系的表达式,并利用基于Fabry-Perot激光谐振腔的真空测量装置,通过双腔谐振激光拍频精确测量了充气前后谐振激光频率的变化,测出了氦气折射率,并分析了测量不确定度.将理论计算值与实验测量值进行了对比分析,得出了制约准确度提高的主要因素,并提出了修正方法.     

低温接收机用压缩机远程控制系统设计

为了实现各个低温接收机站点在电力故障后或是执行观测任务时能远程控制压缩机制冷系统的启停,运用PIC6015单片机设计了一套氦气压缩机远程控制系统。该控制系统就近安装于压缩机上,通过RS485实现与上位机通信,从而远程控制氦气压缩机的启停,同时对氦气压缩机运行状态和氦气的进出气压力进行检测与告警,对低温接收机系统的安全稳定运行起到重要作用。     

Gas purification studies at IGISOL-4

A new gas purification system has been constructed at the upgraded IGISOL facility, Jyväskylä, to meet the need for ultra-high purity helium and argon buffer gas used in the ion guide technique. The purification of helium using liquid nitrogen-cooled cold traps is investigated and compared with unpurified gas using mass spectra obtained at the focal plane of the separator. Neon, an impurity intrinsic to the in-house recycled helium, was seen to have high sensitivity to the impurity level of the gas which is expected to reach sub-parts-per-billion level.     

液氦净化系统的过滤及反吹特性研究

作为一种优良的超导与冷却介质,超高纯液氦在工业以及航空航天等领域中的应用相当广泛。金属丝网过滤器具有理想均匀的孔径分布和优异的流体渗透性能,可适用于高洁净度、高安全性的低温液体净化系统。通过搭建液氦过滤与净化系统实验台,研究了过滤精度为0.5μm的不锈钢丝网过滤器对液氦中固体氮颗粒的过滤特性,探讨了压降及过滤效率的变化规律,以及反吹过程中的升温趋势。结果表明,该过滤器能有效实现液氦的净化。     

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基于ITERCHHCSBTBM的设计特点,设计了相关的氚工艺辅助系统。描述了氚提取系统(TES)、冷却剂纯化系统(CPS)、氚测量系统(TMS)的功能、设计参数和工艺流程等。TES用于氚提取、储存、同位素的分离;CPS实现氧氮等杂质和氚的去除及冷却剂的定量处理和分析等功能;TMS不仅可以定量分析氚含量,而且必要时可替代TES。氚渗透及氚安全的分析表明,通过CHHCSBTBM以及辅助系统向环境释放的氚可控制在ITER的氚安全限度内。     

Study of evaporating the irradiated graphite in equilibrium low-temperature plasma

The paper describes a problem of accumulation of irradiated graphite due to operation of uranium-graphite nuclear reactors. The main noncarbon contaminants that contribute to the overall activity of graphite elements are iso-topes ¹³⁷Cs, ⁶⁰Co, ⁹⁰Sr, ³⁶Cl, and ³H. A method was developed for processing of irradiated graphite ensuring the volu-metric decontamination of samples. The calculation results are presented for equilibrium composition of plasma-chemical reactions in systems “irradiated graphite?argon” and “irradiated graphite?helium” for a wide range of tem-peratures. The paper describes a developed mathematical model for the process of purification of a porous graphite surface treated by equilibrium low-temperature plasma. The simulation results are presented for the rate of sublimation of radioactive contaminants as a function of plasma temperature and plasma flow velocity when different plasma-forming gases are used. The extraction coefficient for the contaminant ¹³⁷Cs from the outer side of graphite pores was calculated. The calculations demonstrated the advantages of using a lighter plasma forming gas, i.e., helium.     

氦冷固态增殖实验包层安全分析研究进展综述

介绍了氦冷固态增殖实验包层(HCCB TBM)系统,该系统主要由TBM 包层、氦冷却系统、氚提取系统、冷却剂净化系统、氚计量系统和中子活化系统等组成。TBM 结构安全分析主要包括电磁安全分析、热工水力安全分析和中子学安全分析,TBM 材料安全分析主要包括结构材料安全分析、阻氚涂层和氚处理等功能材料安全分析。对国内外学者在上述安全分析研究工作中取得的研究进展进行综述,并对TBM 未来的安全分析工作进行展望,以期对其安全设计提供参考。     

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Helium cooled ceramic breeder test blanket module (HCCB TBM) was introduced. The TBM system is mainly composed of test blanket, helium coolant system, tritium extraction system, coolant purification system, tritium measurement system and neutron activation system. The structural safety analysis of TBM mainly includes electromagnetic safety analysis, thermal-hydraulic safety analysis and neutronics safety analysis. The material safety analysis of TBM is divided into safety analysis of structural material, safety analysis of functional materials, such as tritium permeation barrier and tritium treatment materials. The research progress made by scholars at home and abroad in the above-mentioned security analysis research work was summarized, and the future safety analysis of the TBM tritium system was looked forward to, with a view to providing reference for the safety design of tritium systems.     

金属表面下氦泡融合与释放研究

采用分子动力学方法研究了钛金属表面下不同深度处氦泡的行为,分析了氦泡融合与释放的竞争,对比了不同深度处氦泡的释放对金属的影响。结果表明：在接近金属表面处,氦泡很难通过融合无限长大,当达到临界尺寸后,氦泡将会释放而不再与邻近的氦泡发生融合;植入深度对氦泡的融合有一定的影响,深度越大,越有利于形成具有较高氦密度的大氦泡;较深处氦泡的释放会在金属表面形成较大的突起和表面针孔。实验中观察到的不同尺寸的表面孔,其部分原因来自于金属表面下不同深度处氦泡的释放。     

氦在球磨贮氢合金中的存在行为研究

通过正电子寿命测量及结构分析，研究了氦气氛球磨LaNi4.75Al0.25和Zr50Co50贮氢合金中氦的存在行为.研究结果表明：随着气氛压力增加，氦的溶入量增加，相对而言，LaNi4.75Al0.25更有利于氦的溶入；球磨样品正电子寿命的特征参数发生变化，这表明氦在材料中存在行为的差异；对于Zr50Co50合金，氦首先填充在超细晶粒的三叉晶界或空位团处，随着气氛压力增加，有小部分氦填入单空位的自由体积处，形成空位-氦复合体；对于LaNi4.75Al0.25合金，氦首先进入单空位大小的自由体积中，形成空位 关键词： 正电子寿命 氦引入 高压球磨 贮氢合金