相分離法在核電廠一回路溶解氫測定中的應用

龐　雷，章書維，劉志遠，強　浩

（江蘇核電有限公司，江蘇　連云港　222042）

相分離法在核電廠一回路溶解氫測定中的應用

龐雷，章書維，劉志遠，強浩

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港222042）

文章建立了用相分離測定反應堆冷卻水中溶解氫的方法，該方法以氮氣作為載氣，通過水樣減壓、氮氣鼓泡，將反應堆冷卻水中溶解氫轉化到氣相中，再用氣相色譜測定，間接得出反應堆冷卻水中溶解氫的濃度，適用于反應堆水樣的分析。

反應堆冷卻水；溶解氫；相分離

反應堆冷卻水中含有飽和的氮、微量溶解氫等氣體，溶解氫的存在影響反應堆的安全運行，因此要嚴格控制溶解氫的含量。如果一回路溶解氫的含量過低，冷卻水中氧化性輻解產物的濃度就會急劇增加，系統和設備的腐蝕就會明顯加速；反之，如果一回路溶解氫含量過高，不僅會導致反應堆堆芯燃料元件鋯包殼發生氫脆，增加第一道安全屏障破損的風險，還會導致腐蝕產物在燃料元件表面的沉積量增加，從而增加腐蝕活化產物的活度，導致一回路輻射劑量場明顯增加，影響電站WANO指標——集體劑量［1］。因此，分析人員準確地測定一回路溶解氫的濃度，對于一回路水質的控制有著非常重要的意義。

目前文獻中關于水中溶解氫的測量方法［2-4］，并不適用于核電廠。文章提出了一種測定核電廠一回路溶解氫的方法——相分離法。

1　實驗儀器與試劑

相分離器：由法國E L T A公司設計生產，包含除氣器（容積152.55 mL）、傾析器（容積55.36 mL）、氣體取樣瓶（100 mL和300 mL）、氮氣管線（含截止閥、調節閥、逆止閥、流量計、壓力表）。

色譜儀：GC9800氣相色譜儀（上海科創色譜儀器有限公司），TCD（熱導檢測器），SE-30填充柱。

氫氣發生器：北京中惠普分析技術研究所GCD-1000。

氣體：高純氮氣，高純氬氣，壓縮空氣，三組分氣體標準氣（H2：2.00%）。

2　實驗原理及實驗方法

相分離法的實驗原理是：在一定壓力下，溶解于水中的氣體與水中逸出的氣體處于動態平衡。當液面的壓力低于水中溶解氣體所對應平衡狀態的壓力時，氣體就會在不平衡壓差的作用下自水中離析出來。相分離器采集一定體積和壓力的一回路水，通過減壓和氮氣鼓泡，得到一定壓力的氣體樣品，最后通過測量氣體樣品中的氫氣濃度從而實現測量溶解氫的目的。

圖1　實驗裝置及氣路流程圖Fig.1　The experimental device and gas flow chart

具體實驗方法為：一回路樣品通過KUL取樣系統，進入相分離器，樣品采集流量為35 L/h，壓力維持在0.4 MPa，采集時間為10 min；將抽真空后的氣體取樣瓶迅速連接到除氣傾析器頂部，對樣品減壓；再通過氮氣鼓泡，鼓泡流量為50 mL/min，使壓力表P1的壓力值緩慢上升至1 500 mbar為止，即為取樣瓶最終壓力；最后將氣體取樣瓶連接到氣相色譜儀分析氫氣的百分含量。離析次數取決于取樣瓶的體積，如圖1所示。

3　結果與討論

3.1氣相色譜儀分析標準氣

用氣相色譜儀對標準氣體（H2：2.00%）進行10次平行測量，結果如表1所示。

3.2取樣瓶體積對離析效率和精密度的影響

對田灣核電站1000 MW反應堆一回路樣品進行測量，分別采用100 mL取樣瓶和300 mL取樣瓶連續5次平行測定，分析結果如表2所示。

從分析結果可以看出，離析效率越高，對應測量數據的變異系數越小，使用300 mL取樣瓶比100 mL取樣瓶獲得了更好的離析效率和精密度。

3.3標準水樣的制備

氫氣由高純氫氣發生器（GCD-1000）制取，經氣體擴散器向純水中充氫，至水相中氫氣達到飽和（見圖2），制作飽和溶氫標準水樣。在虹吸作用下通過取樣口灌注到相分離器水樣入口。實驗室溫度為25 ℃，壓力為101.325 kPa，根據文獻［5］，該溫度下氫氣飽和濃度為1.56 mg/L。

3.4分析的準確度

用300 mL取樣瓶平行測量制備的標準溶氫水樣10次，平均氮氣鼓泡時間為30 min，得到表3中數據。

表1　標準氣體測量結果Table 1　Standard gas measurement results

表2　氫氣測量精密度Table 2　Hydrogen measurement precision

圖2　標準溶解氫氣樣品的制取裝置Fig.2　Preparation device for standard hydrogen dissolved water sample

從數據上可以看出，測量的相對誤差小于2%，相對標準偏差也小于2%，充分說明相分離法測量水中溶解氫濃度有著較高的可靠性，同時也可以計算出溶解H2的標準回收率高達98.7%。

表3　相分離法測量標準溶氫水樣Table 3　Phase separation method to measure standard hydrogen dissolved water

表4　相分離法方法檢出限Table 4　Phase separation method detection limit

3.5方法檢出限（MDL）

用除鹽水作為樣品分析10次，方法檢出限取3倍標準偏差。從表4看出，該方法的檢出限為0.051 mg/L。

4　結論

用相分離法測定核電廠一回路溶解氫，采用300 mL取樣瓶，氮氣流速50 mL/min，鼓泡時間30 min，該方法的準確度和精密度完全滿足核電廠對反應堆冷卻水溶解氫的監督要求，是一種實用、可靠的分析方法，適用于核電站反應堆冷卻水溶解氫測定。

［1］ 一回路水化學標準［S］. 俄羅斯，2007-05-18：28.（Criteria for Primary Loop Water Chemistry［S］. Russia： 2007-05-18：28 .）

［2］ 姜鐳，辛仁軒. 分析實驗室［J］，1997，16（3）：48.（JIANG Lei， XIN Ren-xuan. Assay Laboratory［J］， 1997， 16（3）：48.）

［3］ 周海收，溫美娟，辛仁軒.分析實驗室［J］，1995，14（6）：56.（ZHOU Hai-shou， WEN Mei-juan，XIN Ren-xuan. Assay Laboratory［J］， 1995，14（6）：56.）

［4］ 黃建軍，顧平，陸彩霞. 分析實驗室［J］，2008，27（增刊）：369.（HUANG Jian-jun， GUO Ping， LU Cai-xia. Assay Laboratory［J］， 2008，27（Supplementary issue）：369.）

［5］ 杭州大學化學系，編. 分析化學手冊（第一分冊）.北京：化學工業出版社，1989：45.（Chemistry Dept. of Hangzhou University. Analytical Chemistry Handbook（Book one）. Beijing：Chemical Industry Press， 1989：45.）

The Application of Phase Separation in the Determination of Hydrogen Dissolved in the Primary Circuit of Nuclear Power Plant

PANG Lei，ZHANG Shu-wei，LIU Zhi-yuan，QIANG Hao
（Jiangsu Nuclear Power Co.，Ltd.，Lianyungang of Jiangsu Prov. 222042，China）

Developing a method for determining hydrogen dissolved in the cooling water from nuclear heating reactor by phase separation. With nitrogen as the carrier，through the water pressure reduction and nitrogen bubbling， drive hydrogen dissolved in the cooling water from nuclear heating reactor into gas phase， and analyze by gas chromatography. This method is applicable to the determination the concentration of hydrogen dissolved in the cooling water from nuclear heating reactor.

cooling water from nuclear heating reactor；hydrogen dissolved；phase separation

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）02-0151-04

TM623

A

1674-1617（2015）02-0151-04

2015-02-12

龐雷（1985—），男，四川南充人，工程師，學士學位，從事核電站水化學工作。