氫同位素的微氣相色譜分析關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、ITER氚增殖實(shí)驗(yàn)包層模塊(TBM)涉氚系統(tǒng)由氚提取系統(tǒng)(TES)、氦冷卻劑凈化系統(tǒng)(CPS)和氚測(cè)量系統(tǒng)(TMS)組成。其中，TES、CPS分別承擔(dān)TBM產(chǎn)氘的實(shí)時(shí)提取和氦冷卻劑中氚及雜質(zhì)的去除任務(wù)，氚測(cè)量系統(tǒng)則是要負(fù)責(zé)對(duì)TES和CPS系統(tǒng)中的氚與雜質(zhì)氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量，以確定氚提取率或冷卻氦中氚的凈化效率，估算TBM模塊增殖劑的產(chǎn)氚速率。
　　氚測(cè)量的技術(shù)方法雖然較多，如質(zhì)譜、電離室、液體閃爍計(jì)數(shù)、正比計(jì)數(shù)測(cè)量以及量熱測(cè)量

2、等，但是可直接用于TBM氚系統(tǒng)的技術(shù)手段相當(dāng)缺乏，因?yàn)門BM氚系統(tǒng)的應(yīng)用強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)在線、快速測(cè)量和設(shè)備小型化！
　　微色譜分析法有取樣量少、速度快、設(shè)備小等優(yōu)點(diǎn)，已被ITER IO推薦為氚系統(tǒng)氫同位素及其它雜質(zhì)組分的在線測(cè)量方法。然而，目前尚未見可直接用于氫同位素分析的商品化微色譜儀和相匹配的微色譜柱問世。
　　本文圍繞微色譜柱這一實(shí)現(xiàn)氫同位素微色譜分析技術(shù)的關(guān)鍵所在，研究了微柱填料的制備方法及其理化性質(zhì)，微色譜柱的氣-固氫同

3、位素吸附分配動(dòng)力學(xué)，微色譜柱氫同位素分離分析性能、分析參數(shù)及定量方法的優(yōu)化，含氚組分微色譜柱保留行為預(yù)測(cè)等問題。主要的工作和結(jié)論如下:
　　(1)采用浸漬-沉積-蒸發(fā)法分別用Cr2O3和MnCl2對(duì)活性Al2O3擔(dān)體表面改性，制備出兩種用于氫同位素低溫(77K)分析的微色譜柱填料。理化分析結(jié)果表明:填料顆粒均勻，化學(xué)熱穩(wěn)定性良好，孔徑、比表面積適中，是理想的色譜填料。采用靜態(tài)容量法測(cè)定了填料對(duì)H2、 D2的吸附等溫線。結(jié)果顯示:填

4、料對(duì)氫同位素的吸附差異明顯，可得到較大分離度。據(jù)容量因子模型，計(jì)算并預(yù)測(cè)了6種氫同位素分子在柱內(nèi)的氣-固吸附分配曲線。結(jié)果表明:氫同位素在色譜柱內(nèi)的氣固吸附分配符合線性規(guī)律，流出曲線呈高斯對(duì)稱，可用于準(zhǔn)確定量。
　　(2)分別用5％、19％、30％、50％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Cr2O3，20％的MnCl2對(duì)活性Al2O3改性，制備內(nèi)徑0.8mm和2mm的56cm長(zhǎng)不銹鋼微填充柱，用其構(gòu)建氫同位素樣品分析系統(tǒng)，改變不同類型色譜柱、不同載氣

5、流量和種類、不同活化時(shí)間和溫度、不同進(jìn)樣量等，進(jìn)行了多輪氦氣流中不同氫氘含量樣品的分析實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示:獲得最佳分離譜圖的改性劑用量為總投料量的20％左右，Ne做載氣，柱活化時(shí)間為5～12h，活化溫度為200～250℃。在上述實(shí)驗(yàn)條件下，優(yōu)化了對(duì)穩(wěn)定氫同位素分析的最佳載氣流速、進(jìn)樣量范圍、樣品氣含量范圍等工藝條件和參數(shù)，最終可在120秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)He、H2、 HD和D2的分離，H2/HD分離度可達(dá)1.118，在最佳分析參數(shù)下，構(gòu)建的分析系統(tǒng)重

6、復(fù)性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于3％。
　　(3)分別用峰面積校正因子歸一化法和標(biāo)準(zhǔn)曲線法對(duì)優(yōu)化后的系統(tǒng)進(jìn)行已知含量氫同位素樣品的分析實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:利用峰面積校正因子歸一化法定量，準(zhǔn)確性明顯高于標(biāo)準(zhǔn)曲線法，對(duì)He、H2、 D2的定量分析平均相對(duì)誤差為0.0252，完全滿足預(yù)期定量分析要求。
　　(4)利用穩(wěn)定氫同位素在色譜柱內(nèi)的保留值數(shù)據(jù)，構(gòu)建了氫同位素的折算質(zhì)量和保留值的數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)和擬合結(jié)果均表明:氫同位素的折算質(zhì)量和其在色譜柱