气相色谱法具有性能稳定、操作简单、维护容易、造价较低等特点,在安全要求高、气氛组成复杂的氘氚燃料循环工艺流程的气氛分析测量中具有一定的应用价值。由于气相色谱为间隙测量方法,目前的研究仍存在分析测试时间较长、组分分离度低、测量精度低等缺陷,在进行宽浓度范围、实时监测、小型化等应用方面还需要进一步研究。检测器和色谱柱是色谱低温分析氢同位素的关键,本研究结合氘氚燃料循环各回路气氛组成特点,筛选比表面积大、热稳定性好、结构强度高的微孔柱填料,级联高灵敏度检测器,优化测量条件,以实现低浓度氢同位素的快速分析测试。本论文的主要研究结果如下:(1)氧化锆原电池是一种固体电解质化学电池,将氧化锆原电池作为气相色谱仪的检测器,避免了氢氦热导性相近对常规TCD检测器热敏性的影响,配以液氮温度(77 K)色谱柱可实现氢同位素的分析测量。检测器的最佳工作温度约为700 ℃。在此温度下,载气流速为60 mL/min时,样品检测的相对误差小于5%,仪器测量的相对标准偏差小于1%,对H2的检测限可达15ppm,对D2的检测限可达40ppm,较TCD检测器检测限分别降低了 10倍和6倍。该检测器对氢同位素响应好,可用于氦气中微量氢同位素的分析测量。由于H2、D2和HD经过氧化锆检测器时具有相同的电化学响应,所以在缺乏氢同位素标准样品的情况下,可使用H2样品绘制标准曲线,估算D2和HD样品的浓度。(2)使用MnCl2对γ-Al2O3进行改性后,可大大改善单纯的γ-Al2O3表面有序度、孔结构和吸附性质,并将o-H2、p-H2峰洗脱在单一谱峰区域内。其制备的填充柱对氢同位素分离性能好,各组分间分离度高,线性范围宽。对比分析不同柱长、柱径的色谱柱发现,毛细管填充柱较常规填充柱具有柱效高,峰形尖锐,相邻组分分离度高,保留时间短,检测下限低等优点,可用于低浓度氢同位素快速或在线分析。内径0.53 mm,长1.0 m的石英毛细填充柱与热导检测器(TCD)级联测试,在几百ppm至百分含量范围内有较好的线性关系,对于低浓度样品检测的相对误差小于5%;对H2、HD和D2保留时间可分别缩短至39 s、46 s和60 s,检测限可分别降低至46 ppm、67 ppm 和 72 ppm。(3)CPL-1具有比表面积大,孔径单一等特点。使用CPL-1制备的填充色谱柱在液氮温度下级联常规TCD检测器进行氢同位素分析测量,具有线性范围宽,重复性好,分析速度快等特点。其检测下限可达250 ppm,样品检测的相对误差小于4.0%,仪器测量的相对标准偏差小于1%,该材料在氢同位素分析中具有潜在利用价值。但由于其为粉末状,色谱柱填充制备难度较大,要实现其实际应用还需要进一步研究探索。