面向SORGENTINA-RF氚设施的Pd-Ag渗透器过滤模式瞬态建模与连续运行设计

《Membranes》：Transient Modelling of a Pd-Ag Permeator System in Filter Mode: Application to the SORGENTINA-RF Tritium Facility

　　

SORGENTINA-RF（SRF）项目旨在用于医用放射性同位素生产，其氚设施需处理真空室尾气（含约1%杂质）并实现氢同位素循环再利用。设施内Pd-Ag渗透器系统（Permeator System）采用封闭构型（过滤模式，filter mode），杂质在膜内累积。为支持系统设计与安全评估，研究人员建立了两种数值模型：基于Python的模型用于揭示氢渗透物理机制；并将相同数学表述实现为Simscape自定义组件，在单膜构型中集成控制逻辑。模型使用ENEA Frascati实验室HyPe（Hydrogen Permeation）设施实验数据验证，平均相对误差低于9%。在SRF设施H2参考工况下，研究人员采用多膜构型通过顺序激活实现系统级连续运行，考察膜长与单元数对性能的影响。结果表明：7支0.12 m长膜可实现连续运行，系统平均处理流量约1.02×10?5 mol·s?1。对氢渗透率进行±50%敏感性分析以涵盖H与D/T同位素差异：高渗透时系统行为基本一致；低渗透时需约0.22 m膜长达到参考性能。研究人员还量化了排空阶段膜腔内残余氚释放：连续运行24 h总释放约5.60×10?3 g·day?1，低渗透时升至1.06×10?2 g·day?1。该工作为过滤模式连续运行提供了最小设计准则，并为氚存量与安全分析提供初步依据。

研究背景方面，SORGENTINA-RF（SRF）项目致力于建设中等强度14 MeV聚变中子源用于医用放射性同位素生产。真空室尾气以D-T混合气为主并含约1%杂质，需回收氚以降低成本并保障燃料循环。传统Pd基膜多按连续流（continuous-flow）模式设计，截留侧持续排杂，但需下游额外回收残余氚；而过滤模式（filter mode，膜内封闭、杂质累积、氢同位素渗透至壳侧）可提高回收率、降低截留侧氚含量，但具有强瞬态特征，现有模型多聚焦稳态，缺乏过滤模式时间依赖行为描述。为此，研究人员开展Pd-Ag渗透器瞬态建模与系统级连续运行设计研究。

主要关键技术方法方面，研究人员首先建立Python单控制体积瞬态模型，基于Richardson方程描述扩散限制区（DLR）氢通量，用Arrhenius型关系描述渗透率温度依赖，以常微分方程组描述H₂与杂质摩尔数演化；随后将同一数学表述植入Simscape自定义元件，结合Stateflow状态机实现FILL、HOLD、PURGE、STAND_BY等多状态阀门控制逻辑，并在单膜验证后扩展为多膜并行序贯激活系统模型；模型使用ENEA Frascati的HyPe实验设施实测几何、温度、压力与渗透率数据开展验证。

研究结果方面，引言部分明确SRF氚设施流量与缓冲罐、Getter存储等界面需求，指出过滤模式对小规模低杂质尾气的适用性。方法论部分定义渗透器单元腔体结构、渗透方向与单控制体积假设，给出Python与Simscape两套模型及其控制状态转移逻辑。模型验证部分将HyPe十组实验分为变流量与变杂质浓度两组， lumen压力演化模拟与实验吻合，平均相对误差低于9%，排除异常Test 6后验证有效，并分析填充时间与杂质注入量关系。SRF应用部分先以单膜构型确认控制逻辑正确，再给出多膜构型：七单元0.12 m膜序贯运行，缓冲罐出口平均流量约1.02×10^?5 mol·s^?1，波动约20%；渗透率敏感性显示D/T低渗时需0.22 m膜长，单膜残余H₂约1.62×10^?8 mol，折算氚日释放5.60×10^?3 g·day^?1，低渗工况升至1.06×10^?2 g·day^?1。

讨论与结论翻译方面，论文指出：所建瞬态模型可描述SRF氚设施Pd-Ag渗透器过滤模式行为；Python与Simscape模型经HyPe数据验证误差低于9%；七支0.12 m膜多膜序贯可实现系统级连续运行，满足流量需求并建立最小设计准则；残余氚释放估计可用于后续氚存量与安全分析；渗透率±50%敏感性说明D/T工况需更长膜管。未来需优化界面参数、完善壳侧泵送动态模型、开展膜特性与关键输入敏感性分析，以支撑SRF项目详细设计。