一种重水反应堆慢化剂重水生产氦-3的系统和方法

摘要

本发明具体涉及一种重水反应堆慢化剂重水生产氦‑3的方法，包括:步骤1、将重水反应堆机组慢化剂系统中的慢化剂重水进行负压精馏，得到浓缩高氚重水；步骤2、将步骤1的浓缩高氚重水进行β衰变，产生氦‑3原料气体；步骤3、将步骤2的氦‑3原料气体经过活性炭吸附、氦氩分离和氢同位素气体吸附，得到氦‑3。本发明的重水反应堆慢化剂重水生产氦‑3的方法，技术上避开了氦3/氦4同位素分离的技术难度和高成本，不存在可能被国外卡脖子的设备和技术，技术成熟度高、经济性好。

说明书

技术领域

本发明涉及核技术应用技术领域，特别是涉及一种重水反应堆慢化剂重水生产氦-3的系统和方法。

背景技术

氦-3的用途十分广泛，例如，氦-3用于核聚变反应堆的能源燃料，产生高效的核电，不会产生废物，其放射性也可忽略不计，将有可能成为解决今后地球人类长期能源发展需求的重要原料。氦-3用于制造氦-3中子探测器，氦-3中子探测器在国防、工业、环保、低温等方面有着重要的应用。氦-3是一种非常理想核磁共振成像样品，用于现代临床医学和化学产物结构分析时具有其它同位素无法比拟的优势。此外氦-3还可应用于考古、地质、水文等领域同位素质谱学研究，用于搜索宇宙中的暗物质，用于制造核武器原料，作为激光放大器的工质，作为表面探针，以及研究太阳活动等。然而氦-3作为自然界中氢的两种稳定同位素之一，在自然界中的存量极少，自然氦气中的原子丰度仅为0.000137％，远远不能满足当前应用和研究的需求。

秦山三期重水反应堆机组是从加拿大引进的CANDU-6型反应堆，总装机容量2×728Mwe，用重水作慢化剂和冷却剂。重水在反应堆运行过程中受到中子的辐照生成氚，反应式为：

重水反应堆核电站每年会产生大量的氚。氚是一种低毒性核素，它发射最大能量为18keV的β粒子，半衰期为12.3年，辐射的射程短，对人体的外照射危害很小。单体形态的氚分子如HT、DT、T

发明内容

基于此，有必要针对重水反应堆机组的高氚重水，提供一种重水反应堆慢化剂重水生产氦-3的系统和方法。

为了解决上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种重水反应堆慢化剂重水生产氦-3的方法，包括如下步骤：

步骤1、将重水反应堆机组慢化剂系统中的慢化剂重水进行负压精馏，得到浓缩高氚重水；

步骤2、将步骤1的浓缩高氚重水进行β衰变，产生氦-3原料气体；

步骤3、将步骤2的氦-3原料气体经过活性炭吸附、氦氩分离和氢同位素气体吸附，得到氦-3。

进一步地，步骤1中，所述重水反应堆机组慢化剂系统中的慢化剂重水包括D

进一步地，步骤2中，所述氦-3原料气体包括D

进一步地，步骤3中，所述氢同位素气体包括DT、T

在其中一个实施例中，将重水反应堆机组慢化剂系统中的慢化剂重水在绝对压力7-10kPa压力下进行精馏。

一种重水反应堆慢化剂重水生产氦-3的系统，包括依次连接的重水精馏系统、气体回收系统和气体净化系统；

所述重水精馏系统对重水反应堆机组慢化剂系统中的慢化剂重水进行负压精馏，得到浓缩高氚重水送往气体回收统；

所述气体回收系统中的浓缩高氚重水发生β衰变，产生氦-3原料气体送往气体净化系统；

所述气体净化系统对原料气进行活性炭吸附、氦氩分离和氢同位素气体吸附，得到氦-3。

进一步地，重水精馏系统进行负压精馏的重水反应堆机组慢化剂系统中的慢化剂重水包括D

进一步地，所述重水精馏系统包括重水脱氚塔，用于在真空设备辅助下对重水反应堆机组慢化剂系统中的慢化剂重水进行负压精馏，DTO进入液相，D

进一步地，所述重水精馏系统还包括重水升级塔，所述重水脱氚塔顶部产物出口与重水升级塔进料口连接；所述重水升级塔用于在真空设备辅助下对重水脱氚塔塔顶的浓缩低氚重水和杂质气体，以及泄漏进入重水精馏系统内的H

进一步地，所述重水脱氚塔和重水升级塔均由一个或一个以上的重水精馏塔级联而成。

在其中一个实施例中，所述重水精馏系统包括进料箱、一级重水精馏塔、二级重水精馏塔、三级重水精馏塔、真空泵、浓缩重水储罐、再沸器A、热交换器A、热交换器B、再沸器B、热交换器C和再沸器C；

所述进料箱与二级重水精馏塔一进料口连接，所述二级重水精馏塔底部产物出口与三级重水精馏塔一进料口连接，所述三级重水精馏塔顶部产物出口与二级重水精馏塔一进料口连接，所述二级重水精馏塔顶部产物出口与一级重水精馏塔进料口连接，所述一级重水精馏塔连接真空泵，所述一级重水精馏塔底部产物出口与浓缩重水储罐连接；

所述一级重水精馏塔顶部设有热交换器A，所述一级重水精馏塔底部设有再沸器A，所述二级重水精馏塔顶部设有热交换器B，所述二级重水精馏塔底部设有再沸器B，所述三级重水精馏塔顶部设有热交换器C，所述三级重水精馏塔底部设有再沸器C。

进一步地，所述气体回收系统包括浓缩高氚重水储罐、传输泵和氦-3原料气体储罐，所述重水脱氚塔底部产物出口依次与传输泵和浓缩高氚重水储罐连接，所述浓缩高氚重水储罐的气体空间与氦-3原料气体储罐连接。

进一步地，气体净化系统进行活性炭吸附、氦氩分离和氢同位素气体吸附的氦-3原料气体包括D

进一步地，所述气体净化系统包括活性碳柱、氦氩分离装置、顶部循环装置和产品气体储罐；所述氦-3原料气体储罐出口与活性炭柱入口连接，所述活性炭柱出口与氦氩分离装置入口连接，所述氦氩分离装置出口与顶部循环装置入口连接，所述顶部循环装置出口与产品气体储罐连接。

进一步地，所述活性碳柱包括壳体、冷阱、电炉、活性炭和过滤网，所述壳体和电炉均放在冷阱内，所述冷阱的冷源为氮气，所述壳体内放置活性炭，所述壳体四周包裹电炉，所述壳体设有出口和入口，所述出口设有过滤网。

进一步地，所述氦氩分离装置包括液化器、气液分离罐、冷冻换热器、低温冷冻器和空浴式气化器；所述活性炭柱出口依次与液化器、气液分离罐、冻换热器、空浴式气化器和顶部循环装置入口连接，所述冻换热器与低温冷冻器连接。

进一步地，所述顶部循环装置包括靶管。

本发明的有益技术效果：

本发明的重水反应堆慢化剂重水生产氦-3的系统和方法，先利用精馏技术除掉慢化剂重水中溶解的氦4，实现无氦-4生产氦-3，再使用可靠的净化技术去除氘氚气体、去除氕氘氚水蒸气、去除覆盖气体氩气，直接生产高纯氦-3产品，技术上避开了氦3/氦4同位素分离的技术难度和高成本，不存在可能被国外卡脖子的设备和技术，技术成熟度高、经济性好。

秦山两台重水堆机组安全稳定运行，为稳定生产氦-3奠定基础，利用本发明的重水反应堆慢化剂重水生产氦-3的系统和方法，5年后两台机组总的氦-3的年产生量预计超过1000升，10年超过1500升，成为国家氦-3供应坚强保障。

附图说明

图1为实施例1中重水反应堆慢化剂重水生产氦-3的系统的系统结构示意图；

图2为活性炭柱结构示意图；

图3为氦氩分离示意图；

图4为实施例2中重水脱氚塔内液相中氦-4含量；

图5为实施例2中重水脱氚塔内汽相中氦-4含量。

图中，1、进料箱；2、一级重水精馏塔；3、二级重水精馏塔；4、三级重水精馏塔；5、真空泵；6、浓缩重水储罐；7、再沸器A；、8、热交换器A；9、热交换器B 9；10、再沸器B；11、热交换器C；12、氦氩分离装置；13、活性碳柱；14、顶部循环装置；15、氦-3原料气体储罐；16、产品气体储罐；17、浓缩高氚重水储罐；18、传输泵；19、再沸器C；20、液化器；21、气液分离罐；22、冷冻换热器；23、低温冷冻器；24、空浴式气化器；25、过滤网；26、电炉；27、壳体；28、冷阱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细地描述。

实施例1

一种重水反应堆慢化剂重水生产氦-3的方法，包括如下步骤：

步骤1、将重水反应堆机组慢化剂系统中的慢化剂重水进行负压精馏，得到浓缩高氚重水；

步骤2、将步骤1的浓缩高氚重水进行β衰变，产生氦-3原料气体；

步骤3、将步骤2的氦-3原料气体经过活性炭吸附、氦氩分离和氢同位素气体吸附，得到高纯高丰度的氦-3。

步骤1中，重水反应堆机组慢化剂系统中的慢化剂重水包括D

步骤2中，氦-3原料气体包括D

步骤3中，所述氢同位素气体包括DT、T

本实施例还提供一种重水反应堆慢化剂重水生产氦-3的系统，包括依次连接的重水精馏系统、气体回收系统和气体净化系统；

所述重水精馏系统对重水反应堆机组慢化剂系统中的慢化剂重水进行负压精馏，得到浓缩高氚重水送往气体回收统；

所述气体回收系统中的浓缩高氚重水发生β衰变，产生氦-3原料气体送往气体净化系统；

所述气体净化系统对原料气进行活性炭吸附、氦氩分离和氢同位素气体吸附，得到高纯高丰度的氦-3。

重水精馏系统进行负压精馏的重水反应堆机组慢化剂系统中的慢化剂重水包括D

参见图1，所述重水精馏系统包括进料箱1、一级重水精馏塔2、二级重水精馏塔3、三级重水精馏塔4、真空泵5、浓缩重水储罐6、再沸器A 7、热交换器A 8、热交换器B 9、再沸器B 10、热交换器C 11和再沸器C 19。

所述进料箱1与二级重水精馏塔3一进料口连接，所述二级重水精馏塔3底部产物出口与三级重水精馏塔4一进料口连接，所述三级重水精馏塔4顶部产物出口与二级重水精馏塔3一进料口连接，所述二级重水精馏塔3顶部产物出口与一级重水精馏塔2进料口连接，所述一级重水精馏塔2连接真空泵5，所述一级重水精馏塔2底部产物出口与浓缩重水储罐6连接。

所述一级重水精馏塔2顶部设有热交换器A 8，所述一级重水精馏塔2底部设有再沸器A 7，所述二级重水精馏塔3顶部设有热交换器B 9，所述二级重水精馏塔3底部设有再沸器B 10，所述三级重水精馏塔4顶部设有热交换器C 11，所述三级重水精馏塔4底部设有再沸器C 19。

所述二级重水精馏塔3和三级重水精馏塔4均为重水脱氚塔，用于对重水反应堆机组慢化剂系统中的慢化剂重水进行负压精馏，DTO进入液相，D

重水脱氚塔工作原理：重水反应堆机组慢化剂系统中的慢化剂重水在重水脱氚塔中经过气液传质交换，D

由于重水精馏系统运行过程中处于真空状态，厂房中少量空气泄漏进入重水精馏系统，空气中包含水蒸气，导致重水精馏系统内引入H

重水精馏系统中，进入液相的DTO通过塔底输送泵由二级重水精馏塔3底部送到三级重水精馏塔4中，经过负压精馏，在三级重水精馏塔4底部得到浓缩高氚重水；进入气相的D

所述一级重水精馏塔2、二级重水精馏塔3和三级重水精馏塔4塔底的再沸器均以0.45Mpa.A辅助蒸汽作为热源；一级重水精馏塔2、二级重水精馏塔3和三级重水精馏塔4塔顶分别设置二级热交换器、三级热交换器和一级热交换器，一级热交换器以34℃～39℃的循环冷却水做冷源，二级热交换器和三级热交换器均以7℃～12℃的冷冻水做冷源。

所述进料箱1进入二级重水精馏塔3的进料速率为30kg/h，所述一级重水精馏塔2和三级重水精馏塔3的底部出料速率分别为28kg/h和2kg/h；重水反应堆机组慢化剂系统中的慢化剂重水在重水精馏系统中经过气液传质交换，在三级重水精馏塔4底部出料口得到大于等于400Ci/kg的浓缩高氚重水送入浓缩高氚重水储罐17储存，在一级重水精馏塔2底部出料口得到小于等于13Ci/kg的浓缩重水。

所述一级重水精馏塔2、二级重水精馏塔3和三级重水精馏塔4的填料采用高效规整丝网填料，填料材质为磷青铜，理论进料板数按照6块进行设计；所述重水精馏系统总的理论板数为920块。

所述气体回收系统包括浓缩高氚重水储罐17、传输泵18和氦-3原料气体储罐15，所述三级重水精馏塔4底部产物出口依次与传输泵18和浓缩高氚重水储罐17连接，所述浓缩高氚重水储罐17的气体空间与氦-3原料气体储罐15连接。浓缩高氚重水在浓缩高氚重水储罐17中衰变产生的氦-3气体，通过压缩机送入氦-3原料气体储罐15中。

浓缩高氚重水储罐17中贮存的浓缩高氚重水，在发生氚衰变产生氦-3的同时会释放能量，进而引起重水的辐照分解，产生氘气和氧气，同时为防止DT和T

气体净化系统进行活性炭吸附、氦氩分离和氢同位素气体吸附的氦-3原料气体包括D

所述气体净化系统包括活性碳柱13、氦氩分离装置12、顶部循环装置14和产品气体储罐16；所述氦-3原料气体储罐15出口与活性炭柱13入口连接，所述活性炭柱13出口与氦氩分离装置12入口连接，所述氦氩分离装置12出口与顶部循环装置14入口连接，所述顶部循环装置14出口与产品气体储罐16连接。氦-3原料气体经气体净化系统处理后，得到高丰度的氦-3气体送入产品气体储罐16储存。

参见图2，所述活性碳柱13包括壳体27、冷阱28、电炉26、活性炭和过滤网25，所述壳体27和电炉26均放在冷阱28内，所述冷阱28的冷源为氮气，所述壳体27内放置活性炭，所述壳体四周包裹电炉26，所述壳体27设有出口和入口，所述出口设有过滤网25。

活性炭柱13工作原理：冷阱投用后，壳体四周包裹氮气，活性炭柱13的温度将降低至-196℃，氦-3原料气体储罐15中的氦-3原料气体进入活性炭柱13后，在低温情况下，O

参见图3，所述氦氩分离装置包括液化器20、气液分离罐21、冷冻换热器22、低温冷冻器23和空浴式气化器24；所述活性炭柱13出口依次与液化器20、气液分离罐21、冻换热器22、空浴式气化器24和顶部循环装置14入口连接，所述冻换热器22与低温冷冻器23连接。

氦氩分离装置工作原理：流经液化器20的气体，主要成分为氦-3、氩-40、DT和T

顶部循环装置14工作原理：经过氦氩分离装置处理后的气体，剩余的主要成分为氦-3、DT和T

系统其它设备均为一般通用设备。

使用上述重水反应堆的含氚重水生产氦-3的系统生产氦-3，包括如下步骤：

步骤1、将重水反应堆机组慢化剂系统中的慢化剂重水送往重水精馏系统；

步骤2、启动重水精馏系统，将重水精馏系统置于正常模式运行；

步骤3、将一级重水精馏塔2的顶部绝对压力调整为7-10kPa，维持减压运行；

步骤4、将进料箱1进入二级重水精馏塔3的进料速率调整为30kg/h，将一级重水精馏塔和三级重水精馏塔的底部出料速率分别调整为28kg/h和2kg/h；

步骤5、重水反应堆机组慢化剂系统中的慢化剂重水在重水精馏系统中经过气液传质交换，在三级重水精馏塔4底部出料口得到大于等于400Ci/kg的浓缩高氚重水送入浓缩高氚重水储罐17储存；

步骤6、浓缩高氚重水在浓缩高氚重水储罐17中发生β衰变，产生的氦-3原料气进入浓缩高氚重水储罐17的气体空间；

步骤7、将浓缩高氚重水储罐1顶部排气通过压缩机送入原料气体储罐15中储存；

步骤8、监测进入原料气体储罐15中的气体流量和压力；

步骤9、待原料气体储罐15中的压力达到10MPa后启动下一步的操作；

步骤10、投运活性炭柱13，确认活性炭柱13温度降低至-196℃；

步骤11、将氦氩分离装置投入运行，调节液化器的温度为-165℃；调节冷冻换热器的温度为-200℃；

步骤12、确认空气式气化器投入运行；

步骤13、将顶部循环装置14投入运行，确认其进出口隔离阀开启；

步骤14、启动真空泵对原料气体储罐15抽真空至绝对压力10kPa后，关闭原料气体储罐15至真空泵回路隔离阀，停运真空泵；

步骤15、将原料气体储罐15中的原料气体送入活性碳柱13后，依次进入氦氩分离装置和顶部循环装置14；

步骤14、将处理后的气体送入产品罐16中；

步骤15、分析产品罐16中氦-3气体的浓度达到99.99％以上，确认满足要求；

步骤16、将产品罐16中氦-3气体送往产品气体储罐16储存。

最终得到的产品罐16中氦-3气体的浓度达到99.99％以上，满足要求。

实施例2

理论计算实施例1中的重水脱氚塔底部的浓缩高氚重水中的氦-4含量，包括如下步骤：

1、计算氦-4在轻水中的溶解度

氦-4在轻水中的溶解度采用Henry公式计算：

P＝H·x

式中，P为氦-4气体分压，单位为atm；x为轻水中氦-4的摩尔分数；H为亨利系数，单位为atm，是温度的函数，随温度变化如表1。

表1氦-4在轻水中的亨利系数

2、计算重水反应堆机组慢化剂系统的慢化剂重水中氦-4浓度

重水反应堆机组慢化剂系统中，氦4为保护气，绝对压力为1atm，温度按照20℃核算。

根据表1所列亨利系数数据，计算重水反应堆机组慢化剂系统的慢化剂重水中氦-4浓度为：

3、计算重水脱氚塔底部浓缩高氚重水中氦-4含量

3.1、估算氦-4与重水的相对挥发度α

根据氦-4在轻水中的亨利系数以及重水不同温度下的蒸汽压数据，计算得到氦-4与重水的相对挥发度α如表2。

表2氦-4与重水的相对挥发度α

3.2、按照全回流操作计算重水脱氚塔塔底浓缩高氚重水中氦-4的含量

根据如下公式计算按照全回流操作重水脱氚塔塔底浓缩高氚重水中氦-4的含量：

可以看出，仅需几个理论平衡级，例如，按照温度30℃相对挥发度计算，5个理论平衡级，即可实现重水脱氚塔去除氦-4的如下效果：

3.3、按照实际操作计算重水脱氚塔塔底浓缩高氚重水中氦-4的含量

重水脱氚塔实际操作中，操作压力为绝对压力7-10kPa，回流比为100，理论平衡级为920，进料流量为30kg。

采用Aspen_Plus软件计算按照实际操作计算重水脱氚塔塔底浓缩高氚重水中氦-4的含量，得到集散曲线如图4-5，重水脱氚塔塔底浓缩高氚重水中氦-4质量分数w为9.5×10

理论计算结果说明，重水脱氚塔底部浓缩高氚重水中的氦-4含量很低，可以实现预期脱气的目标。

实施例3

其他与实施例2相同，区别在于，在相同条件下，采用Aspen_Plus热力学平衡数据计算得到重水反应堆机组慢化剂系统的慢化剂重水中氦-4浓度为：

质量分数w＝1.53×10

可以看出，不同数据库来源，计算略有偏差，但结果基本一致。

实施例4

对专利号CN114180661A实施例1中公开的重水升级塔进行脱出氦-4试验，其理论板数为303，测得重水反应堆机组慢化剂系统的慢化剂重水中氦-4浓度为0.972ppm。

重水升级塔底部浓缩高氚重水中氦-4质量分数w＜0.0048ppm，0.0048ppm为仪器的测量下线，实际数据远低于这个数；采用Aspen_Plus软件计算相同条件下重水升级塔底部浓缩高氚重水中氦-4质量分数w为0.082ppb。

试验结果说明，重水升级塔底部浓缩高氚重水中的氦-4含量很低，可以实现预期脱气的目标。

实施例中出现的D和T分别为氢同位素气体氘和氚。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。