反应堆的氚水提纯装置的制作方法

本发明涉及氚水提纯，特别是涉及一种反应堆的氚水提纯装置。

背景技术：

1、在压水堆（pwr）和加压式重水堆（phwr）的运行过程中，由于氢原子和氘原子受到中子的轰击，或者由于li-7原子与中子的反应，以及b-10、n元素和二次中子源的作用，都会产生氚水（氢的放射性同位素）。随着反应堆燃耗的加深，反应堆中的氚水浓度会逐渐升高。氚水的存在对环境有一定的放射性危害，压水堆向环境释放的放射性物质中很大一部分来自于氚水的排放。然而，氚水在核聚变研究、示踪剂应用和医疗等领域是一种极为重要的工业原料，因其在自然水体中的丰度极低，富集成本非常高。

2、因此，如何有效地从反应堆中提纯氚水，不仅可以减少对环境的放射性污染，还可以将其转化为高价值的工业原料，提高反应堆的产品多样性和经济效益，成为一个亟待解决的技术问题。

3、目前，从水中提纯氢同位素的方法包括吸附法、蒸汽相催化交换法、液相催化交换法、双温催化交换法、硫化氢-水双温交换法、联合电解催化交换法和水精馏法等。然而，这些方法要么技术尚未成熟，要么会产生更多的放射性废物，还有一些方法存在工业安全风险。此外，传统的氚水提纯工艺在生产过程中需要对液态来源进行净化处理才能开展精馏，精馏过程需要消耗大量的热量和冷源，用以对已经富集的水溶液进行蒸馏。因此，现有技术在成本高、结构复杂、工艺繁琐等方面存在诸多问题。

4、鉴于此，本专利提出了一种新的技术方案，旨在通过优化工艺流程和技术手段，有效地从反应堆中提纯氚水，不仅减少对环境的放射性污染，还能提高氚水的提纯效率和经济价值。

5、本技术的背景技术所公开的以上信息仅用于理解本技术构思的背景，并且可以包含不构成现有技术的信息。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述问题，提供一种反应堆的氚水提纯装置。

2、一种反应堆的氚水提纯装置，其包括：

3、进水流道，所述进水流道用于接引所述反应堆的含氚水；

4、换热流道，所述换热流道用于接引所述反应堆的含氚水；

5、节流阀，所述节流阀设于所述进水流道并用于对流经的所述含氚水减压；

6、闪蒸罐，所述闪蒸罐与所述节流阀连通并用于接收从所述节流阀流出的所述含氚水，所述换热流道与所述闪蒸罐的底部连接并用于对所述闪蒸罐的底部进行加热，以使所述闪蒸罐维持在第一预设气压和第一预设温度，在所述第一预设气压下，所述第一预设温度高于或等于氕水的沸点，所述第一预设温度低于氚水的沸点，以实现所述含氚水的初次浓缩；

7、多效蒸馏罐，所述多效蒸馏罐与所述闪蒸罐连通并用于接收来自所述闪蒸罐的经过初次浓缩的含氚水，所述换热流道与多效蒸馏管的底部连接并用于对所述多效蒸馏罐的底部进行加热，以将所述多效蒸馏罐维持在第二预设气压和第二预设温度，所述第二预设气压低于所述第一预设气压，所述第二预设温度低于所述第一预设温度，在所述第二预设气压下，所述第二预设温度高于或等于氕水的沸点，所述第二预设温度低于氚水的沸点，以实现所述含氚水的二次浓缩；

8、射流阀，所述射流阀具有入射端、出射端和真空端，所述入射端与所述闪蒸罐的顶部连通并用于接收来自所述闪蒸罐的蒸汽，所述真空端与所述多效蒸馏罐的顶部连通并用于抽吸所述多效蒸馏罐内的蒸汽以将所述多效蒸馏罐维持在所述第二预设气压，所述出射端用于将所述蒸汽射出；

9、收集装置，所述收集装置与所述多效蒸馏罐的底部连通并用于接收来自所述多效蒸馏罐的经过二次浓缩的含氚水。

10、上述反应堆的氚水提纯装置至少可以实现如下有益效果：进水流道和换热流道均引用来自反应堆的含氚水，利用反应堆中高压（一般在2mpa以上）含氚水的动能和热能，所以可不额外增加热源和动力机构，降低了设备运行成本。

11、进水流道引出的含氚水经过节流阀后再输入闪蒸罐内，节流阀可以对含氚水起到减压等效果，使含氚水在进入闪蒸罐后维持闪蒸罐内的气压相对恒定，即闪蒸罐内维持在第一预设气压和第一预设温度，在第一预设气压下，第一预设温度高于或等于氕水（即轻水）的沸点，第一预设温度低于氚水的沸点，则氕会蒸发形成蒸汽从闪蒸罐顶部进入射流泵的入射端，氚不蒸发则会使得闪蒸罐内的含氚水中的氚浓度上升，实现含氚水的初步浓缩提纯。并且在这个过程中，由于蒸汽的产生会吸收一定的热量，换热流道也可以持续地闪蒸罐进行换热，即对闪蒸罐加热，使闪蒸罐内的温度维持在第二预设温度。

12、当含氚水在闪蒸罐内完成初步浓缩，如含氚水浓缩至原来的50%时，则可将含氚水导入多效蒸馏罐内进行二次浓缩。多效蒸馏罐的顶部与射流泵的真空端连通，可以理解的，射流泵的入射端引入闪蒸罐内的高压蒸汽，从而出射端射出，流速快则压强小，真空端便可持续地将多效蒸馏罐内的气体抽出，在多效蒸馏罐内维持近似真空的环境，即上文所提及的将多效蒸馏罐内维持在第二预设气压，且第二预设气压低于第一预设气压。气压降低，氕和氚的沸点都会进一步降低，因此本技术控制多效蒸馏罐内的在第二预设气压下的第二预设温度高于或等于氕水的沸点，且第二预设温度低于氚水的沸点，以实现所述含氚水的二次浓缩，换言之，多效蒸馏罐内的含氚水中的氕更容易蒸发，但氚在第二预设气压下的沸点依旧低于第二预设温度，含氚水的氚浓度会进一步提高。

13、换热流道内的含氚水在闪蒸罐所在处进行换热后温度有所下降，但由于多效蒸馏罐内的氕水在接近真空的第二预设气压下的沸点比较低，因此，换热流道内的含氚水的温度依旧能够高于多效蒸馏罐的温度，即换热流道能够向多效蒸馏罐提供充足的热量，使多效蒸馏罐内的温度大致维持在第二预设温度。

14、待多效蒸馏罐内的含氚水完成二次浓度，如含氚水浓缩至原来的5%时，可以将多效蒸馏罐内的含氚水导出至收集装置内，由此便实现了对反应堆的含氚水中的氚的提出，而无放射性的蒸发的氕可以重新导回反应堆内亦或是排出至外界环境中。

15、简而言之，本技术反应堆的氚水提纯装置通过合理的工艺流程设计，能够实现高效的氚提取，将反应堆中有害的废物转化为高价值的放射性同位素，提高了反应堆的产品多样性和经济效益。

16、在其中一个实施例中，所述闪蒸罐内设有填料层，所述填料层包括多个依次排列的具有尖端的锥形分离件，全部的所述锥形分离件均倒立设置，所述锥形分离件用于拦截混于所述蒸汽中的含氚的液滴，以使所述含氚的液滴在所述锥形分离件的所述尖端处凝聚后滴落。蒸发过程中，蒸汽中也会混杂着一些含氚的液滴，而倒立设置的锥形分离件能够通过其尖端有效地拦截混于蒸汽中的含氚的液滴，使含氚的液滴在尖端处凝聚并滴落，避免含氚的液滴从入射端进入射流泵，有效地将含氚的液滴从蒸汽中分离出来并回流至闪蒸罐内，减少了液滴的损失，确保了氚水的浓缩效果。

17、在其中一个实施例中，所述填料层的数量设置为多层，多层所述填料层在所述闪蒸罐内沿高度方向间隔设置。多层填料层的设置使得每一层都能够捕集一部分含氚水液滴，逐层递进地提高了液滴的捕集效率，使得蒸汽中含氚的液滴含量逐层减少，最终进入射流泵的入射端的蒸汽纯度更高，并确保更多含氚的液滴在闪蒸罐内被分离出来并回流，多层填料层设计增加了液滴与分离件的接触面积和接触次数，有效提高了液滴的拦截和分离效率，进一步提升了氚与氕的分离效果。

18、在其中一个实施例中，所述锥形分离件的制造材料至少包括不锈钢和三氧化二铝。

19、在其中一个实施例中，所述多效蒸馏罐内设有填料层，所述填料层包括多个依次排列的具有尖端的锥形分离件，全部的所述锥形分离件均倒立设置，所述锥形分离件用于拦截混于所述蒸汽中的含氚的液滴，以使所述含氚的液滴在所述锥形分离件的所述尖端处凝聚后滴落。蒸发过程中，蒸汽中也会混杂着一些含氚的液滴，而倒立设置的锥形分离件能够通过其尖端有效地拦截混于蒸汽中的含氚的液滴，使含氚的液滴在尖端处凝聚并滴落，避免多效蒸馏罐内的含氚的液滴被射流泵的真空端抽出，有效地将含氚的液滴从蒸汽中分离出来并回流至多效蒸馏罐内，减少了液滴的损失，确保了多效蒸馏罐内的氚水的浓缩效果。

20、在其中一个实施例中，所述填料层的数量设置为多层，多层所述填料层在所述多效蒸馏罐内沿高度方向间隔设置。多层填料层的设置使得每一层都能够捕集一部分含氚水液滴，逐层递进地提高了液滴的捕集效率，使得蒸汽中含氚的液滴含量逐层减少，最终被射流泵的真空端所抽走的蒸汽纯度更高，并确保更多含氚的液滴在多效蒸馏罐内被分离出来并回流，多层填料层设计增加了含氚的液滴与分离件的接触面积和接触次数，有效提高了液滴的拦截和分离效率，进一步提升了氚与氕的分离效果。

21、在其中一个实施例中，所述锥形分离件的制造材料至少包括不锈钢和三氧化二铝。

22、在其中一个实施例中，所述反应堆的氚水提纯装置还包括蒸汽压缩机，所述蒸汽压缩机设于所述射流泵与所述闪蒸罐之间，所述闪蒸罐的顶部通过所述蒸汽压缩机与所述射流泵的入射端连通。

23、在其中一个实施例中，所述换热流道先穿设于所述闪蒸罐并在所述闪蒸罐内的底部盘绕设置，所述换热流道后穿设于所述多效蒸馏罐并在所述多效蒸馏罐的底部盘绕设置。换热流道先后穿设于闪蒸罐和多效蒸馏罐，能够最大限度地减少热损失，确保热能的高效传递和利用。在闪蒸罐和多效蒸馏罐内底部盘绕设置换热流道，多层盘绕结构可以提高热交换面积，加速液体的蒸发过程，提高蒸发效率，且有利于均匀加热，避免局部过热的现象，确保蒸发和分离效果。

24、在其中一个实施例中，所述换热流道包括盘绕设置在所述闪蒸罐内的底部的第一换热流道及盘绕设置在所述多效蒸馏罐的底部的第二换热流道；

25、所述第一换热流道与所述闪蒸罐的含氚水接触以进行换热，且所述第一换热流道内的含氚水的温度高于所述第一预设温度，以实现对所述闪蒸罐的加热；

26、所述第二换热流道与所述多效蒸馏罐的含氚水接触以进行换热，且所述第一换热流道内的含氚水的温度高于所述第二预设温度，以实现对所述多效蒸馏罐的加热。含氚水在换热流道内的传热过程可以有效提高闪蒸罐和多效蒸馏罐内的温度，促进含氚水的蒸发，提高蒸发效率和分离效果。第一换热流道内的含氚水温度高于第一预设温度，对闪蒸罐进行加热；第二换热流道内的含氚水温度高于第二预设温度，对多效蒸馏罐进行加热，实现分级加热，优化热能利用。通过控制第一换热流道和第二换热流道内含氚水的流量，可以精确调节闪蒸罐和多效蒸馏罐的加热温度，确保系统在最佳温度范围内运行。其中，第一换热流道的材料可以选择高导热性和耐腐蚀性材料，如不锈钢或铜，确保高效热传导和耐用性，第二换热流道同样也可以选择采用高导热性和耐腐蚀性材料，确保热传导效率和使用寿命。此外，还可以配备温度传感器和控制系统，实时监测闪蒸罐、多效蒸馏罐、第一换热流道和第二换热流道的温度。

27、在其中一个实施例中，所述反应堆的氚水提纯装置还包括容控箱，所述容控箱与所述第二换热流道连通，并用于接收所述第二换热流道排出的含氚水。容控箱用于接收第二换热流道排出的含氚水，可以对排出的含氚水进行收集和再处理，提高资源的利用效率。容控箱内可以配备水质传感器、温度传感器和流量计等监测设备，实时监控含氚水的各项参数，及时发现和处理异常情况，简化维护工作。通过对排出含氚水的有效收集和处理，有利于环境保护。容控箱应采用耐腐蚀材料制造，以确保其在接收含氚水时的长期稳定性和安全性。

28、在其中一个实施例中，所述反应堆的氚水提纯装置还包括风机、换热冷凝器、上充泵和回收流道，所述回收流道的一端与所述容控箱连通，所述上充泵设置在所述回收流道上以将所述回收流道的氕水从所述回收流道的另一端输回所述反应堆，所述回收流道的部分穿设于所述换热冷凝器并在所述换热冷凝器内盘绕设置，所述换热冷凝器与所述射流泵的出射端连通并用于接收来自所述出射端的蒸汽，所述容控箱内的氕水的温度低于所述射流泵的出射端的蒸汽的温度，所述换热冷凝器内的部分所述回收流道与所述蒸汽换热，以将所述蒸汽液化成氕水并提高所述回收流道内的氕水的温度；所述换热冷凝器的底部通过集水流道与所述容控箱连通以用于将所述换热冷凝器内的氕水输入所述容控箱，所述换热冷凝器的顶部通过集气流道与所述容控箱连通将所述换热冷凝器内的不凝气体输入所述容控箱内，所述风机与所述容控箱的顶部连通并用于将所述容控箱内的不凝气体排出。

29、射流泵的出射端产生的蒸汽进入换热冷凝器，在换热冷凝器内与回收流道部分的氕水进行换热。其中，回收流道的部分穿设于换热冷凝器内并盘绕设置，以增强换热效果。由于换热流道经过闪蒸罐和多效蒸馏罐的多次换热后，换热流道内的水温下降，如经过多效蒸馏罐后的换热流道内的水温可以为60摄氏度以下，换热流道的温度相对较低的水排入容控箱内。容控箱内的水又可经回收流道流过换热冷凝器，由于回收流道内的氕水温度低于换热冷凝器22内的蒸汽温度，换热冷凝器内的蒸汽在换热过程中被液化成氕水，同时回收流道内的氕水温度升高。液化后的氕水通过集水流道进入容控箱，容控箱内的氕水通过回收流道和上充泵输回反应堆，实现氕水的循环利用，减少了资源浪费，提高了系统的经济性和环保性。

30、换热冷凝器内若存在氧等不凝气体，则不凝气体可通过集气流道进入容控箱，容控箱内若存在氧等不凝气体，容控箱顶部的风机能够将不凝气体排出，避免气体在系统内积聚，确保系统的安全。风机和集气流道的设计，确保了系统内不凝气体的及时排放，避免了气体积聚带来的安全隐患。