Pd-Ag膜电解浓缩氚的动力学模型及理论计算

核聚变与等离子体物理 ›› 2008, Vol. 28 ›› Issue (4): 362-367.

Pd-Ag膜电解浓缩氚的动力学模型及理论计算

谢波，胡睿，刘云怒

(中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳 621900)

收稿日期:2007-01-22 修回日期:2008-05-22 出版日期:2008-12-15 发布日期:2011-01-10
作者简介:谢波(1975-)，男，湖北潜江人，助理研究员，从事同位素分离与氚工艺研究。

Dynamics model and theoretical calculation of tritium enrichment by Pd-Ag membrane electrolysis

XIE Bo, HU Rui, LIU Yun-nu

(Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900)

Received:2007-01-22 Revised:2008-05-22 Online:2008-12-15 Published:2011-01-10

摘要/Abstract

摘要：

建立了模拟Pd-Ag合金膜电解浓缩氚的过程和诸多电解参数的动力学模型。采用求解数学扩散方程的方法得到理论值，并与文献报道的实验数据进行比较。计算结果表明：氚在Pd-Ag膜上的吸附、解吸、浓缩等行为受到诸多条件的制约。在保证密封性能的前提下，对Pd-Ag膜电解槽体的要求是至少应包括有含氚水路循环、阳极气体消除和阴极扩散后氚再生3个组成部分，采取相匹配的级联技术可以提高分离效果；对电解参数的要求是采取尽可能高的电解液温度和稳定的OH^-浓度，合适的电流密度，合理的膜厚度、表面特征和Pd黑结合紧密。

关键词: 钯-银膜, 浓缩氚, 电解, 聚变堆, 扩散

Abstract:

A dynamics model is established to simulate the tritium enrichment process and to optimize the electrolysis parameters in the Pd-Ag alloy membrane electrolytic cells, and then the theoretical calculation is performed and compared with the experimental results. The analysis shows that the behavior of tritium absorption, desorption and enrichment depends on many conditions, besides a fine seal property, the Pd-Ag membrane electrolytic cell consists of at least three sub-systems: the tritium water circuit, the anode gas eliminating facility and the cathode tritium recovery facility. In addition, a cascade design could improve the separation performance of the device. It is found that higher electrolysis temperature, stable OH^- concentration, suitable current, reasonable thickness and metallographic structure and strictly-deposited palladium black for membrane, are demanded.

Key words: Pd-Ag membrane, Tritium enrichment, Electrolysis, Fusion reactor

中图分类号:

O643.14

谢波，胡睿，刘云怒. Pd-Ag膜电解浓缩氚的动力学模型及理论计算[J]. 核聚变与等离子体物理, 2008, 28(4): 362-367.

XIE Bo, HU Rui, LIU Yun-nu. Dynamics model and theoretical calculation of tritium enrichment by Pd-Ag membrane electrolysis[J]. NUCLEAR FUSION AND PLASMA PHYSICS, 2008, 28(4): 362-367.

参考文献

[1] 汪德熙, 王方定, 雷有余译. 核化学工程[M]. 北京: 原子能出版社, 1988.

[2] 唐涛, 郭淑兰, 陆光达. 海绵钯粉吸放氢同位素的热力学性质研究[A]. 中国工程物理研究院化学与化工学科委员会2003年年会论文集
[C]. 343-347.

[3] 钟正坤, 孙颖, 陈银亮, 等. 氢同位素交换反应平衡常数理论计算[A]. 中国工程物理研究院化学与化工学科委员会2003年年会论文集
[C]. 252-256.

[4] 孙振岩, 刘春明. 合金中的扩散与相变[M]. 沈阳: 东北大学出版社, 2002.

[5] Bellanger G, Rameau J J. Tritium recovery from tritiated water by electrolysis[J]. Fusion Technology, 1999, 11(36): 296-308.

[6] Nakasshio N, Yamaguchi J, Kobayashi R. Rate of isotope exchange reaction between tritiated water in a gas phase and water on the surface of piping materials[J]. Fusion Technology, 2001, 3(39): 189-197.

[7] Bellanger G. Embrittlement of palladium and Pd-Ag alloy cathode membranes by tritium[J]. Fusion Technology, 1995, 11(27): 996-1004.

[8] 肖啸庵. 同位素分离[M]. 北京: 原子能出版社, 1999: 288-301.

[9] Szpak S, Pamela A M. On the release of ⁿH from cathodically polarized Pd electrodes[J]. Fusion Technology, 1998, 11(34): 273-278.

[10] Czerwinski A. Influence of Lithium cations on hydrogen and deuterium electrosorption in Pd[J]. Electrochemistry Data, 1994, 3(39): 431.

[11] Bellanger G, Rameau J J. Tritium adsorption and diffusion of 25% silver palladium cathodic membranes for water processing[J]. Fusion Technology, 1997, 3(31): 185-197.

[12] Lasser R. Tritium and He-3 in metals[J]. Materials Science Series, 1989, 1 (9): 18.

[13] Boucher G R, Collins F E, Matlock R L. Separation factors for hydrogen isotopes on Ni and Pt during electrolysis[J]. Fusion Technology, 1995, 3(27): 183.

[14] Heinze S, Ducret D, Verdin J P. Isotopic enrichment of tritiated water by a bipolar electrolysis process[J]. Fusion Technology, 2002, 5(41): 1160-1164.

[1]	王海龙, 唐江科, 朱盈喜, 胡桉得. Ti涂层对Be/CuCrZr热等静压扩散连接的影响[J]. 核工业西南物理研究院, 2025, 45(1): 27-33.
[2]	王芬, 张龙, 曹启祥, 赵奉超, 周冰, 王艳灵. 磁约束聚变堆核安全系统研究与设计[J]. 核工业西南物理研究院, 2025, 45(1): 49-57.
[3]	邵利华, 刘泽康, 栗再新. 聚变堆氚迁移分析程序 JD-CF 的设计与验证[J]. 核工业西南物理研究院, 2024, 44(4): 483-490.
[4]	田辉, 李继全. 离子温度梯度模湍流扩散特性的量化描述[J]. 核工业西南物理研究院, 2024, 44(3): 343-350.
[5]	邵利华, 刘泽康, 栗再新, 才来中. Soret 和 Dufour 效应耦合对 HL-2A 偏滤器靶板氘浓度与温度双扩散的影响[J]. 核工业西南物理研究院, 2024, 44(3): 367-372.
[6]	白晓伟, 姚达毛. 托卡马克遥操作重载机械臂旋转关节工程研究[J]. 核工业西南物理研究院, 2023, 43(3): 270-276.
[7]	韩佳佳, 汪卫华, 浦文婧, 江海燕, 储德林, 史博 . 矩形管道载氚热磁流体输运特性的数值模拟研究[J]. 核聚变与等离子体物理, 2023, 43(2): 161-168.
[8]	黄向玫, 李伟, 江涛, 李波, 夏志伟. ITER 气体注入系统含氚管道的等效漏率评估[J]. 核聚变与等离子体物理, 2023, 43(1): 82-87.
[9]	范小松, 吉海标, 顾永奇, 刘志宏, 吴杰峰, 马建国. 未来聚变堆真空室制造过程中曲面拟合算法研究[J]. 核聚变与等离子体物理, 2022, 42(1): 35-38.
[10]	黄攀, 王一鸣, 谌继明, 王平怀. 正火和回火处理过程中W/Fe/RAFM钢接头 W/Fe界面组织和剪切性能的演化[J]. 核聚变与等离子体物理, 2021, 41(3): 240-246.
[11]	王磊, 张秀杰, 潘传杰, 许增裕, 赵耀, 王凡. 聚变堆液态包层准二维磁流体湍流模型研究[J]. 核聚变与等离子体物理, 2021, 41(1): 21-25.
[12]	王岩, 张西洋, 周自波, 姚达毛. 前混合磨料射流切割聚变堆第一壁钨材料研究[J]. 核聚变与等离子体物理, 2021, 41(1): 85-90.
[13]	贺平逆1, 2，韦建军3，王志君4，张坤1，芶富均*1 . 液态锡对低活化马氏体/铁素体钢CLF-1的腐蚀行为研究[J]. 核聚变与等离子体物理, 2020, 40(2): 129-134.
[14]	高庆然1, 2，王纪超1, 3，王万景*1，王兴立1, 2，耿祥1，陈镇1, 2，李强1 ，谢春意1, 2，罗广南1, 2. 中国聚变工程实验堆水冷包层钢构件流道成形控制研究[J]. 核聚变与等离子体物理, 2020, 40(2): 155-161.
[15]	刘小川1, 2，廖国俊3，朱超3，武玉1，秦经刚1，邹红飞2，刘生4. ITER 聚变装置内部线圈导体高纯铜管机械性能研究[J]. 核聚变与等离子体物理, 2019, 39(4): 348-351.