液态锂铅合金中微量氚的回收

解决全球能源问题的聚变反应堆一直备受关注,其中由欧盟、俄罗斯、中、韩、印、日等多方合作的ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)计划便是一个代表性的进展标志.ITER实验包层工作组将液态锂铅实验包层模块列为重点开发对象,中国提出的双功能锂铅实验包层模块DFLL-TBM(Dual FunctionLithium Lead-Test Blanket Module)是主要研究方案之一,液态锂铅集氚增殖剂、冷却剂和中子倍增剂于一身,可采用鼓泡器方式实现氚的提取.有关含氚固体废物的回收早有报道,但主要集中于贮氢材料中氚的同位素交换和氘氚化锂残渣中的氚回收,而高温液态合金中氚的回收还未见报道.如果要将液相锂铅中的氚滞留量降低到包层设计的要求,则必须使其上方的氚分压不超过107Pa,采用单纯的氦吹洗或真空脱气难以满足要求,102Pa是它们所能达到的最低极限压力,这是因为在低氚浓度下,由液相转入气相的氚速率是受氚在液相、气相及气-液界面的扩散过程所限制.为了提高从锂铅合金中回收氚的效率,减小氚在液相和气相的分子扩散阻力及气体在液相的滞留时间,本文采用氦吹洗气以及其与氢、氘的混合气作为交换载带气,利用同位素效应(isotopic effect),对液态锂铅合金中的微量氚开展实验回收的预先研究,期望对今后包层氚提取系统(TES)的工程化设计与建造提供技术支持.研究结果显示:随着交换温度的升高,氚的回收率明显增加,并且温度越高,第一次解吸的氚量越大.623K时,同位素交换效果较差,氚回收率较低;723K时经过6次交换后氚的回收率为78.2%;823K时交换一次氚的回收率就可达到66.3%.在相同温度下,氚回收率随交换次数的增加而增加,但经过6次交换后,曲线趋于平坦,氚回收率似乎在接近80%左右形成最大值.此外,单独使用氦吹洗气,氚回收率不到30%;添加0.1%的氘比氢的回收率要略高一些,这是因为充氚结束后的锂铅合金处于平衡状态,并非饱和状态,要交换出合金内的氚,必须预先吸附一定量的载带气,使其达到交换温度下的气体平衡离解压力,方可将合金中的氚交换出来.在较高的交换温度下,氚比氘、氘比氢更容易从锂铅中解析出来,这与气相色谱法分离氢同位素的原理是一致的.但过度增加载带气中氘的比例,反而降低了氚回收率,这是因为随着氘分压的增大,吸附质之间的同位素效应将减弱.总之,采用氦与0.1%氘组成的混合吹洗气,利用同位素交换效应对锂铅合金中的微量氚进行回收是有效的,氚回收效率接近80%;交换温度和交换次数对氚回收率的影响显著,在载带气相同的情况下,温度越高,交换次数越多,氚回收率越高.