本发明设计核科学工程，具体是一种含氚水的处理方法及处理系统。
背景技术：
1、核能发电作为一种新型发电手段，半个多世纪以来已经取得了十分迅猛的发展，满足了人们对电能的一部分需求，然而其带来的危害也不容小觑。
2、核污染水和核废水在不同程度上都含有一定的放射性物质，氚(t，氢的一种同位素)就是其中的一种，其主要来源于压水堆的一回路冷却剂。通常来说，处理核废水的方法有化学沉淀法、吸附剂处理法、膜分离渗透法、离子交换法等。核废水中氚的主要存在形式为氚水(hto)，以上方法虽可以处理一些放射性核素，但较难实现氚的去除和富集回收。同时，氚作为一种放射性同位素在核能方面有广泛的应用，例如核燃料生产、热核聚变实验和氢弹制造等，氚的核聚变反应还被认为是未来可能的清洁能源来源。因此实现核废水中氚的分离具有重大意义。
3、想要将氚(形式为ht o)从轻水堆冷却剂(含大量h2o形式的水)中分离，就需要用到氢同位素分离技术。目前对于氢同位素分离的技术主要有气相催化交换(vpce)、液相催化交换(lpce)和联合电解催化交换(cece)，这些技术理论上来说都可以用于轻水堆除氚，但目前均主要应用于重水堆，且技术所需的能量消耗较高、交换效率和分离纯度也较低，因此找到一种适合于轻水堆除氚的技术显得尤为迫切。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种含氚水的处理方法及处理系统，利用基于氧离子导体电解质的固态氧化物电解池处理含氚水，用于降低核电站一回路中冷却水的氚含量，以及对含氚废水进行氚提取分离回收后进行循环利用，实现氚水的无害化处理及高效利用，帮助降低核电站的氚排放压力，同时也可避免氚的放射性对生物体造成损害。
2、本发明所采用的技术方案是：
3、一种含氚水的处理方法，包括以下三个步骤：
4、(1)含氚水的电解：利用基于氧离子导体电解质的固态氧化物电解池对含氚水进行电解处理得到含氚的氢气；
5、(2)氢同位素分离：对含氚氢气采用气体离心法或者基于固态氧化物质子导体膜的电分离法进行氢同位素分离；
6、(3)氢气转变为水：利用基于氧离子导体电解质的固态氧化物燃料电池，将步骤(2)分离得到的氢气生成水。
7、含氚水的主要成分包括水(h2o)和氚水(hto)。
8、本发明利用基于氧离子导体电解质的固态氧化物电解池(soec)对含氚水进行电解处理，将氚水转化为低毒性的氚化氢，再利用氢同位素分离法反复对氚化氢和氢气进行分离操作，得到高纯度的氚化氢，可以作为氚来源，应用于氚的相关领域；本发明采用的离心分离法在常温或高温下进行，质子导体膜分离法在常压高温下(450-600度)可进行。
9、氚由氚水(hto)转化为氚化氢(ht)后，其毒性已得到降低，这是因为氚水是以液态形式存在的，与水分子(h2o)的分子结构类似，可以被生物体吸收，其放射性可能会对生物体的细胞和dna产生辐射损伤；而氚化氢主要是以气态形式存在的，与氢气(h2)的分子结构类似，首先生物体并不能大量吸收氢气，其次气态氚化氢相对液态氚水来说暴露途径更有限，虽然仍可能被生物体吸收而对呼吸系统产生潜在影响，但其毒性相对较低。
10、本发明应用固体氧化物燃料电池，用于将氢同位素(主要是氢氚)分离后的含氚量显著下降的氢气通过燃料电池转变为水，补充核电站一回路的冷却剂被电解的部分，同时通过燃料电池将氢气的化学能转变为电能，为系统中的电解池提供部分能量，从而降低整个除氚过程中的整体能耗。
11、本发明的方法适用于轻水堆除氚，可以得到的高纯度的氚化氢，且除氚效率高，除氚过程过程能量消耗低。利用本发明的氚水处理方法，处理1kg氚水仅需4.893度电，大大降低了系统能耗，电解1kg含氚废水需要的时间仅需5.9分钟，提高了速率。本发明的soec的规格较小、易于更换，功率较大、性价比高，极具应用前景。
12、进一步地，所述氧离子导体电解质选自氧化钇稳定的氧化锆、氧化钪稳定的氧化锆、掺钇氧化铈、镓酸镧或镧锶镓镁。
13、由于现有的有机质子膜耐久性较差，无机质子膜效率较低。本发明采用的是基于固态氧离子导体作为电解质的soec的氧离子交换膜，功率密度高，本发明所采用的单个对称固体氧化物电池在1.6v、800℃条件下的电解功率为2.82w/cm2，电解效率高，约为70％以上，且材料稳定寿命长，在600℃超过1200小时下电极材料与电解质材料分界线明显，未发生明显元素扩散，功率密度波动小于5％。
14、进一步地，所述镧锶镓镁的结构式为la1-xsrxga1-ymgyo3-δ，其中，x的取值范围为0.05～0.5，y的取值为0.05～0.5，δ的取值为0～0.5。
15、进一步地，所述电解质的两侧设置有阴极材料和阳极材料，所述阴极材料和阳极材料相同。
16、本发明中的soec和sofc均采用对称结构，由于阴极和阳极材料相同的缘故，故可以灵活更换极性从而避免电极结构改变。
17、进一步地，所述阴极材料和阳极材料均采用铁酸锶，所述铁酸锶的化学式为srfeαo3-δ，α的取值为1.01～1.1,δ的取值为0～0.5。
18、进一步地，所述质子导体可采用氧化钙稳定的氧化锆、掺硅氧化硼或基于钡锆钇进行元素参杂的固态氧化物质子导体材料。
19、本发明考虑到氚的放射性(β衰变)对有机物的应用，所以选用基于byn的固态氧化物质子导体—对给予氧化钇稳定的锆酸钡进行元素参杂。
20、质子导体是指能传导氢离子的固态电解质，氚作为氢的同位素，也可以在质子导体中进行传导。但由于氢与氚的分子质量不同，在相同温度下，氢离子的输运能垒阈值要低于氚离子，通过精确控制诱导电压可以实现氢离子以更大概率在静电场作用下移动到质子导体的另一侧，从而实现氢氚的同位素分离。
21、进一步地，基于钡锆钇进行元素参杂的固态氧化物质子导体材料的化学式为bazrkynmpo3-q，其中，其中，k的取值为0.5～0.95，n的取值为0.04～0.4，p的取值为0.01～0.2，q的取值为0-0.5，且k+n+p＝1。
22、含氚水的处理系统，包括含氚水的循环电解单元、氚化氢分离提纯单元以及用于将氢气转化为水的固态氧化物燃料电池单元，所述氚化氢分离提纯单元包括质子导体膜或多台离心机。
23、进一步地，所述含氚水的循环电解单元包括反应堆冷却水回路、固态氧化物电解池以及循环泵，所述反应堆冷却水回路与固态氧化物电解池连接，所述循环泵通过管道将所述固态氧化物电解池及所述态氧化物电解池阴极出口连接。
24、进一步地，所述固态氧化物燃料电池单元包括固态氧化物燃料电池、水回收罐和循环泵，所述固态氧化物燃料电池和水回收罐连接，所述循环泵的两端分别连接固态氧化物燃料电池的进气口和出气口。
25、具体的工作机理如下：
26、(1)含氚水的电解过程：当检测到反应堆一回路中的氚含量超标时，将其中的部分含氚水减压后移入循环电解单元。在循环电解单元中，含氚水汽首先与氢气混合进入基于氧离子导体电解质的固态氧化物电解池(soec)，在soec中气态的氚水(hto)和水(h2o)分别电解产生氚化氢(ht)和氢气(h2)，此时电解池soec阴极出口处的混合气体包括氚化氢、氢气以及少部分未能电解完全的气态氚水和水，将该混合气体返回与含氚水混合共同进行循环电解，直至得到仅含有氢气和氚化氢的新混合气体。
27、(2)氢同位素分离单元，本发明采用两种方法实现氚化氢和氢气的分离：
28、第一种是气体离心法。气体离心法的基本原理是基于气体分子在离心力场中受到的离心力不同，具有不同的离心沉降速度。当气体混合物被置于高速旋转的离心机内时，受到的离心力会使得分子根据其质量和分子大小在离心机管内分层沉积，从而实现气体混合物的分离。由于氢气(1h2)的相对分子质量为2，氚化氢(1h3t)的相对分子质量为4，故氚化氢更容易富集于近轴处。将近轴处和远轴处富集的气体分别导入另外两台不同的离心机，形成级联，重复上述离心过程。如此反复进行，收集得到分离的、高纯度的氚化氢和氢气。
29、第二种是采用基于固态氧化物质子导体膜的电分离法。氚作为氢的同位素，同样可以通过质子导体，但由于氢与氚的分子质量不同，在相同温度下，氢离子的输运能垒阈值要低于氚离子，通过精确控制诱导电压可以实现氢离子以更大概率在静电场作用下移动到质子导体的另一侧，从而实现氢氚的同位素分离。利用多级级联设计，可以实现氢氚同位素在电场下的膜分离，得到分离的、高纯度的氚化氢和氢气。
30、(3)氢气转变为水的过程：经氢氚同位素分离后得到的氚含量极低的高纯氢接入基于氧离子导体电解质的固态氧化物燃料电池(sofc)单元。该单元包括sofc、水回收罐和循环泵。sofc通过电化学过程将氢气转变成水，同时将氢气的化学能转变为电能释放，为电解过程供电；水回收罐将反应过程中形成的水冷凝收集，作为反应堆冷却剂的补充；循环泵保证氢气能完全电化学反应。
31、本发明不仅加入了将分离后氚含量非常低的h2通过燃烧电池生成水补充回一回路，实现核电站含氚废水的循环处理，同时还利用燃料电池将氢气的化学能转变为电能补充先前电解工艺的能量损耗，从而降低了整个系统的能耗。
32、本发明的有益效果是：
33、1.本发明可以有效降低核电站一回路中冷却水的氚含量，将放射性强的氚水转变为放射性下降10000倍的氚化氢，不仅可以帮助降低核电站的氚排放压力，同时也可避免氚的放射性对生物体造成损害。
34、2.本发明提取分离到的高纯度氚元素(指氚化氢)，可以作为氚来源，应用于氚的相关领域。
35、3.本发明中的固态氧化物电解池的材料和电分离法中的质子导体，均采用无机材料构成，可以有效避免有机材料可能存在的因受氚元素放射性而导致性能下降的问题。
36、4.本发明中的soec和sofc均采用对称结构，由于阴极和阳极材料相同的缘故，故可以灵活更换极性从而避免电极结构改变。
1.一种含氚水的处理方法，其特征在于，包括以下三个步骤：
2.根据权利要求1所述的一种含氚水的处理方法，其特征在于，所述氧离子导体电解质(401)选自氧化钇稳定的氧化锆、氧化钪稳定的氧化锆、掺钇氧化铈、镓酸镧或镧锶镓镁；
3.根据权利要求2所述的一种含氚水的处理方法，其特征在于，所述镧锶镓镁的结构式为la1-xsrxga1-ymgyo3-δ，其中，x的取值范围为0.05-0.5，y的取值为0.05～0.5，δ的取值为0～0.5。
4.根据权利要求1所述的一种含氚水的处理方法，其特征在于，所述电解质的两侧设置有阴极材料(402)和阳极材料(403)，所述阴极材料(402)和阳极材料(403)相同。
5.根据权利要求4所述的一种含氚水的处理方法，其特征在于，所述阴极材料(402)和阳极材料(403)均采用铁酸锶，所述铁酸锶的化学式为srfeαo3-δ，α的取值为1.01～1.1，δ的取值为0～0.5。
6.根据权利要求1所述的一种含氚水的处理方法，其特征在于，所述质子导体可采用氧化钙稳定的氧化锆、掺硅氧化硼或基于钡锆钇进行元素参杂的固态氧化物质子导体材料中的一种。
7.根据权利要求6所述的一种含氚水的处理方法，其特征在于，基于钡锆钇进行元素参杂的固态氧化物质子导体材料的化学式为bazrkynmpo3-q，其中，k的取值为0.5～0.95，n的取值为0.04～0.4，p的取值为0.01～0.2，q的取值为0～0.5，且k+n+p＝1。
8.基于权利要求1～7任一项所述的含氚水的处理系统，其特征在于，包括含氚水的循环电解单元、氚化氢分离提纯单元以及用于将氢气转化为水的固态氧化物燃料电池单元，所述氚化氢分离提纯单元包括质子导体膜(10)或多台离心机。
9.根据权利要求8所述的一种含氚水的处理系统，其特征在于，所述含氚水的循环电解单元包括反应堆冷却水回路、固态氧化物电解池(4)以及循环泵(5)，所述反应堆(10)冷却水回路与固态氧化物电解池(4)连接，所述循环泵(5)通过管道将所述固态氧化物电解池(4)及所述态氧化物电解池(4)阴极出口连接。
10.根据权利要求8所述的一种含氚水的处理系统，其特征在于，所述固态氧化物燃料电池单元包括固态氧化物燃料电池(7)、水回收罐(8)和循环泵a(9)，所述固态氧化物燃料电池(7)和水回收罐(8)连接，所述循环泵a(9)的两端分别连接固态氧化物燃料电池(7)的进气口和出气口。
