氫同位素的微氣相色譜分析關鍵技術研究.pdf

1、ITER氚增殖實驗包層模塊(TBM)涉氚系統(tǒng)由氚提取系統(tǒng)(TES)、氦冷卻劑凈化系統(tǒng)(CPS)和氚測量系統(tǒng)(TMS)組成。其中，TES、CPS分別承擔TBM產(chǎn)氘的實時提取和氦冷卻劑中氚及雜質的去除任務，氚測量系統(tǒng)則是要負責對TES和CPS系統(tǒng)中的氚與雜質氣體進行實時、準確測量，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。
　　氚測量的技術方法雖然較多，如質譜、電離室、液體閃爍計數(shù)、正比計數(shù)測量以及量熱測量

2、等，但是可直接用于TBM氚系統(tǒng)的技術手段相當缺乏，因為TBM氚系統(tǒng)的應用強調實時在線、快速測量和設備小型化！
　　微色譜分析法有取樣量少、速度快、設備小等優(yōu)點，已被ITER IO推薦為氚系統(tǒng)氫同位素及其它雜質組分的在線測量方法。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現(xiàn)氫同位素微色譜分析技術的關鍵所在，研究了微柱填料的制備方法及其理化性質，微色譜柱的氣-固氫同

3、位素吸附分配動力學，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測等問題。主要的工作和結論如下:
　　(1)采用浸漬-沉積-蒸發(fā)法分別用Cr2O3和MnCl2對活性Al2O3擔體表面改性，制備出兩種用于氫同位素低溫(77K)分析的微色譜柱填料。理化分析結果表明:填料顆粒均勻，化學熱穩(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)容量法測定了填料對H2、 D2的吸附等溫線。結果顯示:填

4、料對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，計算并預測了6種氫同位素分子在柱內的氣-固吸附分配曲線。結果表明:氫同位素在色譜柱內的氣固吸附分配符合線性規(guī)律，流出曲線呈高斯對稱，可用于準確定量。
　　(2)分別用5％、19％、30％、50％（質量分數(shù)）的Cr2O3，20％的MnCl2對活性Al2O3改性，制備內徑0.8mm和2mm的56cm長不銹鋼微填充柱，用其構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、不同活化時間和溫度、不同進樣量等，進行了多輪氦氣流中不同氫氘含量樣品的分析實驗。結果顯示: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，柱活化時間為5～12h，活化溫度為200～250℃。在上述實驗條件下，優(yōu)化了對穩(wěn)定氫同位素分析的最佳載氣流速、進樣量范圍、樣品氣含量范圍等工藝條件和參數(shù)，最終可在120秒內實現(xiàn)He、H2、 HD和D2的分離，H2/HD分離度可達1.118，在最佳分析參數(shù)下，構建的分析系統(tǒng)重

6、復性相對標準偏差小于3％。
　　(3)分別用峰面積校正因子歸一化法和標準曲線法對優(yōu)化后的系統(tǒng)進行已知含量氫同位素樣品的分析實驗。結果表明:利用峰面積校正因子歸一化法定量，準確性明顯高于標準曲線法，對He、H2、 D2的定量分析平均相對誤差為0.0252，完全滿足預期定量分析要求。
　　(4)利用穩(wěn)定氫同位素在色譜柱內的保留值數(shù)據(jù)，構建了氫同位素的折算質量和保留值的數(shù)學模型。實驗和擬合結果均表明:氫同位素的折算質量和其在色譜柱