CN110652873B - 一种基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵，其包括质子导体陶瓷管，质子导体陶瓷管上套设有抽取泵，抽取泵包括上部封装外壳和下部封装外壳，上部封装外壳与下部封装外壳之间依次设置有气密法兰、阳极导电法兰、阴极导电法兰、气密垫片，气密法兰与阳极导电法兰之间、阳极导电法兰与阴极导电法兰之间、阴极导电法兰与气密垫片之间分别设置有连接垫片；上部封装外壳上侧设置有通气玻璃管。本发明能够解决现有技术中氢同位素分离能耗过高的问题，条件要求低、分离效率高、可靠性强。
Description
技术领域
本发明涉及同位素分离技术领域，具体涉及一种基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵。
背景技术
随着科技的不断发展，传统能源日渐短缺，核能作为解决能源危机的主要能源之一，对核能的开发利用日益迫切。在核能的开发过程中，主要利用氢的同位素在高温下发生聚变反应，结合生成较重原子核，其中主要是氦，同时放出巨大能量。同时，为了保证聚变堆燃料循环系统的氚自持，会利用聚变反应产生的中子轰击包层中锂原子核产氚，并用氦气作为载气。在核聚变过程中，氢同位素往往与会与氦气等惰性气体混合，因此氢同位素的分离与回收必不可少。
如何实现高效回收氢同位素，是目前有效提高核能开发利用水平的主要问题之一。目前主要的方式是生冷分离技术，即通过利用氢氦沸点，分别是77K和4K左右，这一不同特性，在低温下将氢同位素凝结成液相，与仍为气相的氦气进行分离。
但上述方式对实验环境要求较高，系统复杂，分离过程中能耗过高，并且随着混合气体中杂质的凝结，导致分离得到的氢同位素气体纯度不高，需要进一步纯化。特别由于聚变反应产物或者载气的工况温度较高，采用生冷分离技术分离提取氢同位素的载气还需要从77K以下重新加热到高温。因此采用这种方式进行的氢氦分离能效较低，且对系统设计要求更高。
发明内容
本发明针对现有技术中的上述不足，提供了一种能够解决现有技术中氢同位素分离能耗过高的问题的基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵及抽取方法。
为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：
提供了一种基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵，其包括质子导体陶瓷管，质子导体陶瓷管上套设有抽取泵，抽取泵包括上部封装外壳和下部封装外壳，上部封装外壳与下部封装外壳之间依次设置有气密法兰、阳极导电法兰、阴极导电法兰、气密垫片，气密法兰与阳极导电法兰之间、阳极导电法兰与阴极导电法兰之间、阴极导电法兰与气密垫片之间分别设置有连接垫片；上部封装外壳上侧设置有通气玻璃管。
上述技术方案中，优选的，气密法兰、阳极导电法兰、阴极导电法兰、气密垫片和连接垫片的外径均小于上部封装外壳。
上述技术方案中，优选的，阳极导电法兰内径与质子导体陶瓷管外径相同，阴极导电法兰与质子导体陶瓷管内径相同，气密法兰与下部封装外壳内径相同。
上述技术方案中，优选的，质子导体陶瓷管从内到外依次设置有阴极层、质子导体层和阳极层，阳极层与阳极导电法兰套接，阴极层与阴极导电法兰套接，阴阳两极导电法兰之间利用连接垫片套接。
上述技术方案中，优选的，阳极层由NiO-BaZrxY1-xO3-δ或NiO-BaZrxCeyY1-x-yO3-δ构成；阴极层由LaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ或LaxSr1-xMnO3-δ构成；质子导体层由BaZrxCeyY1-x-yO3-δ或BaZrxY1-xO3-δ构成，其中0<x<1，0<y<1。
上述技术方案中，优选的，连接垫片、上部封装外壳与下部封装外壳的材质均为氧化铝，阳极导电法兰、阴极导电法兰、气密垫片和气密法兰的材质均为铜。
本发明还提供了一种利用上述基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵的抽取方法，其方法为：将工作温度调至400℃至700℃，电压调至2V至10V、直流电流密度设置为500mA/cm2至800mA/cm2，然后将氢氦混合气体从通气玻璃管中通入，透过质子导体陶瓷管分离，最终从上部封装外壳中心通孔接收导出气体。
进一步地，工作温度为500℃时，电压调节为3.5V，直流电流密度设置为600mA/cm2，输入混合气体含氢量为2％。
本发明提供的上述基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵的主要有益效果在于：
本发明工作方式为：利用质子导体陶瓷管，在内外两侧加上直流电压，以电化学的方式将氢气从混合气体中分离。通过将氢氦混合气体利用质子导体陶瓷管电离作用，实现高温下氢同位素与氦气直接分离，不需要经过降温后重新升温，简化氢同位素提取过程，降低能量损耗，减少提取时间。
核聚变反应过程中会排放出未反应的氘、氚，利用本装置可以进行回收利用，节省能源，减少环境污染。
通过将质子导体陶瓷管中阴阳电极以及电解质层均设置为陶瓷材料，保证其在高温下的高稳定性，实现高温下的氢氦分离，简化氢同位素的提取过程，降低能量损耗，减少提取时间。
本发明提供的上述基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵的抽取方法的主要有益效果在于：
通过在高温下在将氢氦混合气体与质子导体陶瓷管相接触并利用其电离作用，实现在较低温度下即能将氢同位素与氦气直接分离。
通过外加直流电压，分离过程中氢气的扩散方向只与外加电流方向有关，能实现氢气的定向扩散，实现由低浓度到高浓度的氢氦分离。
附图说明
图1是基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵的结构示意图。
图2是导电法兰的结构示意图。
图3是上部封装外壳的结构示意图。
图4是质子导体陶瓷管的结构示意图。
图5是整体结构装配图。
其中，1、质子导体陶瓷管，11、质子导体层，12、阴极层，13、阳极层，2、抽取泵，21、上部封装外壳，22、下部封装外壳，23、气密法兰，24、气密垫片，25、阳极导电法兰，26、阴极导电法兰，27、连接垫片，3、通气玻璃管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1至图3所示，其中图1为基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵的连接关系示意图。
本发明的基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵包括质子导体陶瓷管1，质子导体陶瓷管1上套设有抽取泵2，抽取泵2包括通过螺栓相互连接的上部封装外壳21和下部封装外壳22，上部封装外壳21与下部封装外壳22之间依次设置有气密法兰23、阳极导电法兰25、阴极导电法兰26、气密垫片24，气密法兰23与阳极导电法兰25之间、阳极导电法兰25与阴极导电法兰26之间、阴极导电法兰26与气密垫片24之间分别设置有连接垫片27；上部封装外壳21上侧设置有通气玻璃管3，如图5所示。
其中，气密法兰23、阳极导电法兰25、阴极导电法兰26、气密垫片24和连接垫片27的外径均小于上部封装外壳21，以便将各部件设置于上部封装外壳21和下部封装外壳22内部。
气密法兰23、阳极导电法兰25、阴极导电法兰26的内径与质子导体陶瓷管1的直径相同，以便将质子导体陶瓷管1与抽取泵2固定连接。
具体的，如图4所示，质子导体陶瓷管1从内到外依次设置有阴极层12、质子导体层11和阳极层13，阳极层13与气密法兰23、阳极导电法兰25、阴极导电法兰26套接。
优选的，阳极层13由NiO-BaZrxY1-xO3-δ或NiO-BaZrxCeyY1-x-yO3-δ构成；阴极层12由LaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ或LaxSr1-xMnO3-δ构成；质子导体层11由BaZrxCeyY1-x-yO3-δ或BaZrxY1-xO3-δ构成，其中0<x<1，0<y<1。
优选的，连接垫片27、上部封装外壳21与下部封装外壳22的材质均为氧化铝，阳极导电法兰25、阴极导电法兰26、气密垫片24和气密法兰23的材质均为铜。
本发明还提供了一种利用上述基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵的抽取方法，其方法为：将工作温度调将工作温度调至400℃至700℃，电压调至2V至10V、直流电流密度设置为500mA/cm2至800mA/cm2。然后将氢氦混合气体从通气玻璃管3中通入，并从下部封装外壳22一侧的质子导体陶瓷管1中接收导出的气体。
优选的，当工作温度为500℃时，电压调节为3.5V，直流电流密度设置为600mA/cm2，输入混合气体含氢量为2％。透过质子导体陶瓷管1，并从上部封装外壳21中心通孔接收导出的气体。
上面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (7)
1.一种基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵，其特征在于，包括质子导体陶瓷管，质子导体陶瓷管上套设有抽取泵，所述抽取泵包括上部封装外壳和下部封装外壳，上部封装外壳与下部封装外壳之间依次设置有气密法兰、阳极导电法兰、阴极导电法兰、气密垫片，气密法兰与阳极导电法兰之间、阳极导电法兰与阴极导电法兰之间、阴极导电法兰与气密垫片之间分别设置有连接垫片；上部封装外壳上侧设置有通气玻璃管，
质子导体陶瓷管从内到外依次设置有阴极层、质子导体层和阳极层，阳极层与阳极导电法兰套接，阴极层与阴极导电法兰套接，阴阳两极导电法兰之间利用连接垫片套接。
2.根据权利要求1所述的基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵，其特征在于，所述气密法兰、阳极导电法兰、阴极导电法兰、气密垫片和连接垫片的外径均小于上部封装外壳。
3.根据权利要求2所述的基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵，其特征在于，所述阳极导电法兰内径与质子导体陶瓷管外径相同，阴极导电法兰内径与质子导体陶瓷管内径相同。
4.根据权利要求1所述的基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵，其特征在于，所述阳极层由NiO-BaZrxY1-xO3-δ或NiO-BaZrxCeyY1-x-yO3-δ构成；阴极层由LaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ或LaxSr1- xMnO3-δ构成；质子导体层由BaZrxCeyY1-x-yO3-δ或BaZrxY1-xO3-δ构成，其中0<x<1，0<y<1。
5.根据权利要求3所述的基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵，其特征在于，所述连接垫片、上部封装外壳与下部封装外壳的材质均为氧化铝，阳极导电法兰、阴极导电法兰、气密垫片和气密法兰的材质均为铜。
6.一种根据权利要求1至5任一所述的基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵的抽取方法，其特征在于，将工作温度调400℃至700℃，电压调至2V至10V，直流电流密度设置为500mA/cm2至800mA/cm2，然后将氢氦混合气体从通气玻璃管中通入，透过质子导体陶瓷管分离，最终从上部封装外壳中心通孔接收导出气体。
7.根据权利要求6所述的基于钡锆陶瓷的管式氢同位素抽取泵的抽取方法，其特征在于，所述工作温度设置为500℃时，电压调节为3.5V，直流电流密度设置为600mA/cm2，输入混合气体含氢量为2％。
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