低温色谱法制备贫氘氢样品的研究

　　1 引 言

　　核聚变反应堆是最有发展前途的能源系统之一，其代表性的成就有多方合作的国际热核聚变实验堆( ITER) 、欧盟示范堆( DEMO) 和中国国内正在进行概念设计的聚变 - 裂变混合堆[1]。无论何种堆型都无法避免核燃料循环的难题。而氢的 3 种同位素—氕、氘、氚的在线测量是核燃料循环的关键技术之一，这是因为必须监测燃料循环过程中不同气体混合物的组成，计算氚的滞留量。目前中国国内外对离线的、高于天然氘丰度的测量研究甚多，已成为一种成熟技术，而对在线的、低于天然氘丰度( 10- 4量级) 的测量，特别是低于 10- 5的测量较为罕见。在实际工作中，常常有低于天然氘丰度的氢样品，即贫氘氢需要检测，它的精确定量成为气体分析、尤其是氚分析的技术瓶颈之一。为了实现贫氘氢的精确定量和自行制备，课题组在多年从事色谱分离氢同位素的工作基础上，采用无载带气的单维低温色谱分离技术，从制备流程设计出发，对分离方法、吸附材料、柱径柱长

　　和操作参数进行了选择研究，期望制备出满足使用要求的贫氘氢样品。

　　2 制备流程的设计

　　2. 1 制备方法的选择

　　常用的氢同位素色谱分离方法如表 1 所示。氢同位素各组分的浓度与压力、温度和时间均有关系，所谓单维色谱是指氢同位素的浓度只随其中一个因素而变，而多维色谱是指氢同位素的浓度随多个因素而变。

　　目前课题组现有的大型色谱分离装置以 He 为载带气，采用多维色谱法分离氢同位素，处理能力达到每天百立方量级，体积太大。为降低运行成本，减小正仲氢转化的影响，必须建立新的贫氘氢制备流程。从表 1 可以看出，采取无载带气与单维低温色谱分离相结合的方法，既可解决贫氘氢的纯度问题，又能解决分离、收集时的压力匹配问题，而且操作简单，液氮损耗小。制备流程的核心部件是色谱柱，而决定色谱柱性能的是吸附剂、柱径柱长的选择。

　　2. 2 吸附剂的选择

　　常用的固体吸附剂，如硅胶、活性炭、活性氧化铝和分子筛对氢同位素都有良好的吸附作用。吸附分为物理吸附和化学吸附，分子筛主要是物理吸附，吸附不仅在其表面进行，而且深入到分子筛晶体结构的内部，同其它吸附剂相比，分子筛吸附有两个最显著的特征: 选择吸附和高效吸附。分子筛空腔的直径一般在 6—15 A 之间，孔径约在 4—10 A 之间; 而硅胶、活性氧化铝和活性炭孔径不均匀，分布范围十分宽广，可达 10—10 000 A，没有筛分功能。硅胶的孔径比分子筛大，因此吸附作用力远小于分子筛，且其吸附力主要是色散力，而分子筛的吸附力除了色散力，还有较大的静电力，色散力和静电力的加和造成分子筛的吸附力特别强大，不仅对低分压或低浓度、高温和高速的极性流体有较大的吸附作用，而且对极性、不饱和及易极化分子具有优先的选择吸附作用。