多级串联径向流吸附床对氦氢气体中氢气吸附研究.pdf

中文摘要 摘 要 核能作为高能量、无污染、储量大的能量来源已经被部分国家使用。核能分 为两种形式：核裂变和核聚变。核聚变是由氘氚粒子在极高的温度和压力下聚合 成质量更大的粒子氦，并释放大量能量的过程。但是聚变反应的激活和维持所需 超高温条件是当今技术无法达到的。为彻底攻破聚变反应技术难题，中国、欧盟、 美国、日本、韩国、印度、俄罗斯七国联手国际热核聚变实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor ），简称ITER ，地点设在法国南部小城卡达拉 舍。 为保证核聚变反应长期稳定进行，反应堆内部设置氚增殖单位。增值单元利 用聚变产生的中子轰击周围的Li6 产生氘氚，产生的氘氚用氦气载带出来，通对对 氘氚氦混合气体进行分离，得到新的氚燃料，保证聚变堆长期有效的运行。本实 验用氢代替氘氚作为实验用气，研究高效的将氦氢混合气体分离出来的方式，为 氦氘氚气体分离提供理论基础。为得到的氦氢气体中氢气吸附规律，本实验开展 以下几项工作： ① 氦氢分离所用吸附床结构设计：通过对现阶段气体吸附床结构和 ITER 中 TBM 氚提取系统的氦氚混合气体参数进行调研，以及实验室所研发的氦氢混合气 体装置的结构参数作为参考依据，作者自主设计满足氦氢分离实验所需功能的气 密性良好、吸附效率高、方便拆装的多级串联径向流吸附床结构，并根据厂家生 产的多空不锈钢尺寸及标准密封材料的尺寸确定吸附床内部尺寸，购买相关材料 进行加工制作。最终制作出一个吸附剂填充层高度50 mm 、吸附层厚度5、10、14 mm ，最大级数三级的多级串联径向流吸附床。多级串联结构在使用过程中可根据 回收效率和吸附量的改变自行增减级数。多级串联径向流床对混合气体的回收效 率I 总,通过实验测量得到不同使用条件下的单级吸附层的回收效率，从而可计算得 到满足混合气体吸附要求的最小填装级数，减少实验测量的工作量。 ② 氦氢分离吸附剂性能的测量：本实验选取 ZrTiCo 粉末作为氦氢混合气体 中氢气吸附的材料。实验前对ZrTiCo 粉末吸放氢前后粒径分布情况测量，得到其 吸气前后粉末颗粒的直径分布情况以及比表面的变化，粉末平均粒径由吸氢前55.5 2 μm 变为吸氢后的26.3 μm 。表面积未吸氢前为0.258 m /g，充分吸氢后比表面积变 2 为0.634 m /g ，吸氢后材料的粉化变小现象明显。对ZrTiCo 吸放氢前后的成分、 物相进行测量，吸氢后的形成的测得材料中主要为ZrCo 相，其次为TiCo 相，还 有少量的Fe Zr 。吸氢后由于歧化反应生成的ZrCo 和ZrH 高温下不分解，聚留在 2 2 2 粉末中，使得粉末材料的总吸氢量随吸放氢次数增加而逐渐减少。通过对 ZrTiCo I 重庆大学硕士学位论文 粉末进行振击实验，获得ZrTiCo 粉末材料堆积孔隙率随振击次数增加的变化规律。 实验测得粉末的孔隙率随振击次数的增加而减少，粉末粒径越小孔隙率变化越大， 变化范围幅度随振击次数增加而逐渐减少，振击次数达到 100 后粉末孔隙率的变 化量随振击次数增加该变量小。对ZrTiCo 粉末材料的吸氢性能进行测量，ZrTiCo 粉末进行活化处理可提高低压（0-5 Pa ）条件下的吸氢速率与吸氢量，材料在一个 大气压下可以达到最大吸氢量的95%，10 bar 氢压下吸氢至饱和，吸氢速率随吸氢 量和吸氢温度的增加而减少。在ZrTiCo 装填进吸附床后需要对填装层进行 100 次 左右的振击保证床体在进行组装和搬运工程中不会因为震动而改变体积，影响吸 附效果。进行氦氢混合气体吸附前对材料进行活化处理可以提高对H2 的回收效率。 ③ 氦氢气体中氢气吸附测量：本实验进行的氦氢分离实验在团队自主研发的 氦氢混合气体系统上进行，实验气路的设计及连接由本人参与完成。通过手动开 关阀门及流量计参数条件得