1.重氢提纯回收的特点

100万kW级核聚变反应堆的燃料循环系统极其复杂、庞大，使用氚达到数亿居里（数十kg）。核聚变反应堆的氚泄漏量目前要求不超过氚使用量的1/10⁷。这就意味着核聚变反应堆在普通氢工业同样的安全管理的基础上，必须开展严格的放射性物质管理。氚循环系统包括回收增殖部产生的氚，输送氚燃料入炉心，回收排气中未燃烧的燃料，以及防止氚泄漏。增殖部产生的氚通过载气（例如He）被输送到提纯、分离、回收系统，载气中氚的浓度为10^-6级。另一方面，核聚变反应的反应率为10%以下，所以必须回收未反应的氚。对于氚的提纯、分离、回收，开发出了多种技术，利用储氢合金的技术受到广泛关注。本书主要介绍利用储氢合金进行氚的提纯和分离。

2.氢同位素提存分离的要素

核聚变反应堆燃料处于封闭系统，可能存在多种多样的杂质发生源。锂是生产氚的原料（¹n+⁶Li→³T+⁴He），其中⁶Li以氧化物形式加入，生成的氚使用0.1%H-He吹扫气输送到回收装置。回收气流中H/T比值约100，主要的杂质Q₂O（Q=H、D、T）占Q₂的1%。另外，杂质还有CO，约占Q₂的1/10⁴。表4-10是核聚变实验反应堆可能产生的杂质气体种类及浓度。

表4-10 核聚变反应堆的氢等离子体的成分

①主要是CQ₄（Q=H、D、T），也有其他的碳氢化合物。

普通的氢提纯方法，例如膜分离、吸收法、冷阱都能实现杂质气体含量低于数10^-6，但是氚分离要求排气中的氚浓度也低于数10^-6。如表4-10所示，氚燃料中除了含有Q₂ O，还有C_nQ_m、NQ₃等杂质。排放气体中的氚回收方法，首先通过催化氧化法把氚转化成Q₂ O，然后利用蒸馏法、电解法或者化学交换法回收氚。最近，利用储氢合金法提纯氚受到广泛关注。

3.重氢提纯分离的性能

储氢合金去除杂质气体性能取决于吸收（反应）速度、吸收量、生成物的稳定性。储氢合金和杂质气体的反应如下：

反应生成物为氧化物、碳化物和氮化物。众所周知，铀能够可逆地吸放氢，UH3、UD3、UT3的平衡压力曲线如图4-13所示，其中图内的压力单位为atm。氢（H、D、T）在室温的平衡压力为10^-5torr，平衡压力1atm对应的分解温度为400℃，非常适合氚提纯工艺，所以铀一直作为氚储存材料。表4-11列出了铀吸收杂质气体N₂、CO、CO₂的能力，吸收量符合平方律。

图4-13 UH3、UD3、UT3的平衡压力曲线

表4-11 U吸收N₂、CO、CO₂的能力

①为分别吸收CO、CO₂的实验结果。

图4-14 铀粉与NH₃的反应(www.daowen.com)

a）未预处理试样 b）预吸收N₂试样

铀吸收NH₃的过程如图4-14所示，仅吸收少量氨，随后就是U催化分解NH₃生成N₂和H₂。如果铀预先吸收N₂，就只发生NH₃的分解。铀用于氚提纯工艺已经多年，但是存在粉碎及接触空气燃烧等缺点。铀的替代材料主要是Zr基合金（Zr-Al，Zr-V，Zr-Te，Zr-Ni，Zr-Co，Zr-V-Fe等），研究其对N₂、CO、CO₂、H₂O、NH₃、C_nH_m等的吸收特性。图4-15表示Zr-Al合金吸收H₂、CO、N₂的特性。杂质气体相对于氢气吸收速度低，而且随着吸收量的增加迅速降低，而且受温度影响大。其他的Zr基合金均存在上述现象。通常，铀对多种气体的吸收速度CH₄＜N₂＜CO＜O₂H₂。

4.提纯回收重氢的应用

利用储氢合金的提纯氚有多种材料和方式，第一步分离氢同位素和杂质气体，第二步去除杂质气体的氚。前者主要采用Pd及其合金来实现。

（1）铀床

图4-16是铀床去除杂质气体和回收氚的装置流程图。首先采用催化氧化法将混合气体转化成Q₂O，然后通过冷阱收集Q₂O，不含氢原子的非凝结气体被排放。收集的Q₂O通过He载气依次输送到高温（400℃）铀床和低温（30℃）铀床。高温铀床发生U+Q₂O→UO₂+Q₂反应，低温铀床进行氢同位素气体的吸收过程。常温铀床捕集的氢同位素送入同位素分离装置。高温铀床利用U的氧化制取Q₂，所以铀的消耗非常快。铀存在粉碎、易燃以及氧化铀的还原等难题，需要开发其替代材料。Ummerich等研究者探讨铁粉的氧化反应（Fe+Q₂O→Fe₃O₄+Q₂）。氧化铁比较容易还原，实现在线再生，而且不存在固体废弃物处理难题。

图4-15 Zr-Al合金（SAES ST-101）吸收H₂、CO、N₂的特性

图4-16 铀床去除杂质气体和回收氚的装置流程图

（2）铀替代材料

图4-17是德国KFK实验运行的提纯回收装置。该装置的原料气是Pd膜分离过程的不纯气体，G1～G4内装有吸气剂（Zr-Al、Zr-Fe、Zr-Fe-V、Ti-V-Fe-Mn、Ti-V-Fe-Ni-Mn等）。

吸气剂的使用温度取决于材料，一般在400～700℃温度范围内。另外U1和U2是实验用氚的存储及回收容器，根据以往的实验成果采用铀。杂质气体的去除速度为CH₄＜N₂＜CO＜CO₂＜O₂。CH₄的去除速度慢有两方面原因：反应速度慢、存在逆反应（C+2H₂→CH₄）。吸收剂对于各种杂质气体的去除性能是必不可少的，对于混合气体的杂质去除性能也需要研究。吸收剂去除混合气体的研究并没有充分展开，图4-18表示利用Ti-V-Fe-Mn吸收剂处理H₂、CH₄、N₂和CO混合气体的吸收曲线。低温（200℃）条件下，N₂和CO吸收速度很快就开始降低，而H₂的吸收在40min时开始变缓，CH₄没有任何吸收。升高温度至300℃，N₂和CO吸收速度均升高，但H₂和CH₄的压力反倒升高。上述现象提示可能发生了CO+3H₂→CH₄+H₂O反应。H₂吸放曲线的异常是由于300℃已经接近该吸收剂的平衡压。由此可见，多种杂质的混合气体，由于同时存在几种反应，可能无法达到预期的去除效应。

图4-17 等离子排气提纯回收装置（PEGSUS）

图4-18 Ti-V-Fe-Mn合金吸收H₂、CH₄、N₂和CO组成的混合气体