一種聚變堆熱室清洗廢氣深冷精餾凈化再生利用方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種聚變堆熱室內(nèi)清洗廢氣深冷精餾凈化再生方法及裝置，適用于聚變裝置面向等離子體的內(nèi)部活化及氚滯留內(nèi)部器件熱室內(nèi)維護過程中的清洗去污過程中所產(chǎn)生的廢氣的處理，屬于放射性污染控制和處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]化石能源的逐漸耗竭已經(jīng)是人所共知的事實，而風能、太陽能等可再生能源在目前來看，也無法完全滿足人類對能源的需求。核能的發(fā)現(xiàn)利用及發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了大半個世紀，但是人類對裂變核能的安全利用仍就存在著一定程度的不確定性。隨著ITER項目的進行，聚變也再日益走進人們的視野。同等質(zhì)量的氫元素聚變產(chǎn)生的能量比鈾等重元素裂變放出的能量大得多，而產(chǎn)生的輻射也少得多。對環(huán)境保護的考慮也是人們努力發(fā)展核聚變技術(shù)的原因之一。核聚變發(fā)電，是能源的明日之星。聚變能源也是目前公認的清潔、安全的下一代新能源，聚變裝置的研究和發(fā)展近些年正在緊鑼密鼓的進行當中，熱室做為聚變堆內(nèi)部器件的重要維護設施和安全應急的重要單元承擔著重要的核安全重任，因而熱室內(nèi)相關(guān)的維護工藝工裝設備的研發(fā)就顯的尤為的重要。
[0003]現(xiàn)有的大量聚變實驗裝置在進行聚變相關(guān)的實驗運行過程中在真空室內(nèi)部均發(fā)現(xiàn)大量的放射性顆粒的產(chǎn)生，主要是有由于各種真空室第一壁面材料在高溫和高輻照環(huán)境下材料的蒸發(fā)、腫脹、損傷以及粒子濺射等因素造成的，聚變堆運行的過程中內(nèi)部器件會被14Mev的中子活化，并且作為核燃料的氚在高溫環(huán)境下極易在材料中滲透、滯留，因此相關(guān)部件內(nèi)的放射性和氚滯留給設備維護的人員和遙操作裝置帶來了很大的危害。因此在熱室內(nèi)進行相關(guān)的維護工作之前需要將內(nèi)部器件表面沾染的放射性顆粒和潛在的弱固性沾染物使用相關(guān)技術(shù)進行移除、收集、集中后固定收集處理。
[0004]熱室系統(tǒng)不同于一般設備的維護場所，其內(nèi)部處理的均是高放射性的有毒有害物質(zhì)，因此熱室內(nèi)的各種工藝十分復雜，需要綜合考慮各方面因素，對整個工藝流程的各個環(huán)節(jié)均需要做到全過程管理，所有熱室內(nèi)部涉及的操作流程、引入的物質(zhì)、反應的中間產(chǎn)物、最終產(chǎn)物、采用的裝置、設備等均需要全生命周期管理和監(jiān)控。目前還沒有專門針對聚變堆內(nèi)部器件活化材料和氚滯留部件的清洗去污的工藝方法，ITER(國際熱核聚變試驗堆)等大型聚變裝置將干冰爆破清洗暫定為首選的清洗方案，但是相關(guān)資料表明熱室的除氚系統(tǒng)沒有辦法處理大量二氧化碳氣體，因此相關(guān)研究被迫擱置，急需設計一種可以處理干冰爆破清洗廢氣的處理工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供提一種熱室內(nèi)清洗廢氣深冷精餾凈化再生方法及設備，解決了清洗劑固態(tài)二氧化碳(干冰)不能被熱室除氚系統(tǒng)處理，實現(xiàn)了干冰爆破清洗能夠應用在熱室環(huán)境中，實現(xiàn)了高效清除收集內(nèi)部器件表面的放射性顆粒的目的，防止了放射性顆粒擴散，實現(xiàn)清洗廢物最少化的目的。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種聚變堆熱室清洗廢氣深冷精餾凈化再生利用方法，采用物理分離的方式，利用清洗介質(zhì)二氧化碳與雜質(zhì)氣體在相同氣壓下液化溫度的差異，并且所需分離的可回收利用成分二氧化碳的液化溫度最高，一般冷媒較為容易達到，因此直接從混合氣體中降溫分離出液態(tài)二氧化碳，最終實現(xiàn)廢氣中二氧化碳分離物與雜質(zhì)氚、氦等氣態(tài)雜質(zhì)的分離，其特征在于實現(xiàn)步驟如下:
[0007](I)清洗去污工藝:將可揮發(fā)性清洗介質(zhì)干冰顆粒在助推氣體高壓二氧化碳的助推下，噴射在待清洗表面，在碰撞待清洗表面的同時可揮發(fā)性顆粒破碎氣化，撞擊和揮發(fā)氣化時產(chǎn)生的壓力將清洗表面黏連附著的污染物與清洗表面分離，在密閉的清洗室內(nèi)形成具有一定壓力的載帶著放射性顆粒的混合氣體，可揮發(fā)性顆粒不斷升華，使得清洗室內(nèi)壓力升高，之后以氣流為依托，載帶從污染表面清洗分離下的放射性顆粒離開清洗室，進入固態(tài)、液態(tài)雜質(zhì)過濾凈化工藝流程；
[0008](2)固態(tài)、液態(tài)雜質(zhì)過濾凈化工藝:對載帶著放射性顆粒的混合氣體首先進行前置除塵過濾，除去廢氣中的固體放射性顆粒的同時，集中收集防止其擴散，完成前置除塵過濾;再進行除油過濾處理，除去廢氣中夾雜的油脂類物質(zhì)，之后進入微熱再生氣體干燥器除去混合氣中的氚水蒸氣，完成除水過濾，最后再經(jīng)過后置除塵過濾二次過濾固態(tài)雜質(zhì);上述工藝完成后，混合氣體完成了固態(tài)、液態(tài)相雜質(zhì)的分離，剩下的混合氣體中主要含有作為助推氣體和清洗介質(zhì)升華后的二氧化碳氣體和需要除去的放射性核燃料氚以及微量的無害冷卻劑氦和其他無害微量雜質(zhì)(氦氣、氮氣等雜質(zhì)氣體對環(huán)境無影響不屬于有害物質(zhì)可留存)；
[0009](3) 二氧化碳深冷精餾分離工藝:對經(jīng)過步驟(2)的前置除塵、除油、除水和后置除塵四重過濾后的混合氣體中的放射性核燃料氚送入-50°C-77°C低溫精餾塔，利用混合氣體不同組分之間液化溫度的差異，通過物理變化精確控制精餾塔溫度將液化溫度最高的二氧化碳降溫液化后與其他雜質(zhì)氣體進行分離，得到潔凈的液態(tài)二氧化碳，之后進入儲罐自然冷卻備用；
[0010](4)低溫動力氣體制備工藝:由步驟(3)分離凈化后潔凈的液態(tài)二氧化碳經(jīng)過氣化、增壓形成高壓氣體，通過管路輸送至高壓儲罐，調(diào)溫后轉(zhuǎn)化為_20°C—-50°C低溫動力氣體，在需要使用的時作為氣力輸送和清洗去污工藝中的動力源推送可揮發(fā)性清洗干冰顆粒，高壓吹掃清洗室使用；
[0011](5)可揮發(fā)性顆粒再生工藝:由步驟(3)所制備的潔凈的液態(tài)二氧化碳由管路通入外冷源冷卻的深冷結(jié)晶器，在結(jié)晶器內(nèi)逐漸凝固成雪花狀固體干冰，再由造粒機擠壓成型成為干冰顆粒，即為可揮發(fā)性清洗介質(zhì)干冰顆粒；
[0012](6)可揮發(fā)性顆粒遠距離氣力輸送工藝:以步驟(4)產(chǎn)生的低溫氣體為動力源，采用氣力輸送的方式，將步驟(5)中制備的可揮發(fā)性顆粒清洗介質(zhì)干冰顆粒遠距離吹送進清洗室中的噴射器，在噴射器內(nèi)再引一路由步驟(4)產(chǎn)生的高壓助推氣體混合二次加速后，噴射出噴射器，在清洗室內(nèi)噴向待清洗部件的表面完成清洗任務。
[0013]所述步驟(I)助推氣體高壓二氧化碳的壓力為10-500bar。
[0014]所述步驟(2)中經(jīng)前置除塵過濾采用HEPA高效過濾器除塵，凈化廢氣氣體的同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)對放射性顆粒進行收集，防止其擴散。
[0015]所述步驟(2)中微熱再生氣體干燥器對吸收后的氚水可以再生，以備提取核燃料氚使用，使用時微熱再生氣體干燥過濾器一開一備，當水分接近20mg/L，則啟用備份微熱再生氣體干燥器，運行著的微熱再生氣體干燥器退出再生，再生時電加熱器加熱至250-300°C時氚水蒸氣再生，當再生氣出口溫度2 120°C時，再生結(jié)束，水蒸氣冷卻到常溫成液態(tài)供分離同位素核燃料使用。
[0016]所述步驟(3)具體操作如下:干燥過濾后混合氣體進入深冷精餾塔，二氧化碳在混合氣體各組液化溫度最高，在外冷源的驅(qū)動下，在換熱盤管-50°C_77°C冷卻溫度的作用下相變液化，以液態(tài)的形式集聚在精餾塔底部，放出后留存，未液化的氣體雜質(zhì)集聚在塔頂，通過頂部管路進入廢氣儲罐，實現(xiàn)氣態(tài)雜質(zhì)分離，含有大量放射性核燃料氚的未液化雜質(zhì)氣體，經(jīng)過相關(guān)廢氣處理工藝提氚后回收核燃料，其余氣體達到清潔解控標準后排放。
[0017]所述步驟(3)中，可以同時使用多個精餾塔提高分離效率，也可以采用多級精餾工藝，提尚廣品純度。
[0018]所述步驟(5)中深冷結(jié)晶器的深冷溫度低于-90°C。所述步驟(5)中干冰顆粒的制備原料液態(tài)二氧化碳原料來自于步驟(3)其過程是:將液化分離存儲的液態(tài)二氧化碳通過進一步的冷凝固化后制作成尺寸一定且密度均勻的干冰顆粒，通過低溫冷凝固化過程，將液態(tài)二氧化碳進一步冷卻，深冷溫度低至_90°C甚至更低，將液態(tài)二氧化碳輸送至深冷結(jié)晶罐內(nèi)，使用噴淋的方式將液態(tài)二氧化碳均勻的噴灑進深冷結(jié)晶罐內(nèi)，通過旋轉(zhuǎn)的葉片將冷凝的固態(tài)干冰甩離葉片后在重力的作用下滑落至換熱器底部，換熱器底部與干冰造粒機相連接，壓制出球形干冰顆粒。
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