相分离法在核电厂一回路溶解氢测定中的应用

庞　雷，章书维，刘志远，强　浩

（江苏核电有限公司，江苏　连云港　222042）

相分离法在核电厂一回路溶解氢测定中的应用

庞雷，章书维，刘志远，强浩

（江苏核电有限公司，江苏连云港222042）

文章建立了用相分离测定反应堆冷却水中溶解氢的方法，该方法以氮气作为载气，通过水样减压、氮气鼓泡，将反应堆冷却水中溶解氢转化到气相中，再用气相色谱测定，间接得出反应堆冷却水中溶解氢的浓度，适用于反应堆水样的分析。

反应堆冷却水；溶解氢；相分离

反应堆冷却水中含有饱和的氮、微量溶解氢等气体，溶解氢的存在影响反应堆的安全运行，因此要严格控制溶解氢的含量。如果一回路溶解氢的含量过低，冷却水中氧化性辐解产物的浓度就会急剧增加，系统和设备的腐蚀就会明显加速；反之，如果一回路溶解氢含量过高，不仅会导致反应堆堆芯燃料元件锆包壳发生氢脆，增加第一道安全屏障破损的风险，还会导致腐蚀产物在燃料元件表面的沉积量增加，从而增加腐蚀活化产物的活度，导致一回路辐射剂量场明显增加，影响电站WANO指标——集体剂量［1］。因此，分析人员准确地测定一回路溶解氢的浓度，对于一回路水质的控制有着非常重要的意义。

目前文献中关于水中溶解氢的测量方法［2-4］，并不适用于核电厂。文章提出了一种测定核电厂一回路溶解氢的方法——相分离法。

1　实验仪器与试剂

相分离器：由法国E L T A公司设计生产，包含除气器（容积152.55 mL）、倾析器（容积55.36 mL）、气体取样瓶（100 mL和300 mL）、氮气管线（含截止阀、调节阀、逆止阀、流量计、压力表）。

色谱仪：GC9800气相色谱仪（上海科创色谱仪器有限公司），TCD（热导检测器），SE-30填充柱。

氢气发生器：北京中惠普分析技术研究所GCD-1000。

气体：高纯氮气，高纯氩气，压缩空气，三组分气体标准气（H2：2.00%）。

2　实验原理及实验方法

相分离法的实验原理是：在一定压力下，溶解于水中的气体与水中逸出的气体处于动态平衡。当液面的压力低于水中溶解气体所对应平衡状态的压力时，气体就会在不平衡压差的作用下自水中离析出来。相分离器采集一定体积和压力的一回路水，通过减压和氮气鼓泡，得到一定压力的气体样品，最后通过测量气体样品中的氢气浓度从而实现测量溶解氢的目的。

图1　实验装置及气路流程图Fig.1　The experimental device and gas flow chart

具体实验方法为：一回路样品通过KUL取样系统，进入相分离器，样品采集流量为35 L/h，压力维持在0.4 MPa，采集时间为10 min；将抽真空后的气体取样瓶迅速连接到除气倾析器顶部，对样品减压；再通过氮气鼓泡，鼓泡流量为50 mL/min，使压力表P1的压力值缓慢上升至1 500 mbar为止，即为取样瓶最终压力；最后将气体取样瓶连接到气相色谱仪分析氢气的百分含量。离析次数取决于取样瓶的体积，如图1所示。

3　结果与讨论

3.1气相色谱仪分析标准气

用气相色谱仪对标准气体（H2：2.00%）进行10次平行测量，结果如表1所示。

3.2取样瓶体积对离析效率和精密度的影响

对田湾核电站1000 MW反应堆一回路样品进行测量，分别采用100 mL取样瓶和300 mL取样瓶连续5次平行测定，分析结果如表2所示。

从分析结果可以看出，离析效率越高，对应测量数据的变异系数越小，使用300 mL取样瓶比100 mL取样瓶获得了更好的离析效率和精密度。

3.3标准水样的制备

氢气由高纯氢气发生器（GCD-1000）制取，经气体扩散器向纯水中充氢，至水相中氢气达到饱和（见图2），制作饱和溶氢标准水样。在虹吸作用下通过取样口灌注到相分离器水样入口。实验室温度为25 ℃，压力为101.325 kPa，根据文献［5］，该温度下氢气饱和浓度为1.56 mg/L。

3.4分析的准确度

用300 mL取样瓶平行测量制备的标准溶氢水样10次，平均氮气鼓泡时间为30 min，得到表3中数据。

表1　标准气体测量结果Table 1　Standard gas measurement results

表2　氢气测量精密度Table 2　Hydrogen measurement precision

图2　标准溶解氢气样品的制取装置Fig.2　Preparation device for standard hydrogen dissolved water sample

从数据上可以看出，测量的相对误差小于2%，相对标准偏差也小于2%，充分说明相分离法测量水中溶解氢浓度有着较高的可靠性，同时也可以计算出溶解H2的标准回收率高达98.7%。

表3　相分离法测量标准溶氢水样Table 3　Phase separation method to measure standard hydrogen dissolved water

表4　相分离法方法检出限Table 4　Phase separation method detection limit

3.5方法检出限（MDL）

用除盐水作为样品分析10次，方法检出限取3倍标准偏差。从表4看出，该方法的检出限为0.051 mg/L。

4　结论

用相分离法测定核电厂一回路溶解氢，采用300 mL取样瓶，氮气流速50 mL/min，鼓泡时间30 min，该方法的准确度和精密度完全满足核电厂对反应堆冷却水溶解氢的监督要求，是一种实用、可靠的分析方法，适用于核电站反应堆冷却水溶解氢测定。

［1］ 一回路水化学标准［S］. 俄罗斯，2007-05-18：28.（Criteria for Primary Loop Water Chemistry［S］. Russia： 2007-05-18：28 .）

［2］ 姜镭，辛仁轩. 分析实验室［J］，1997，16（3）：48.（JIANG Lei， XIN Ren-xuan. Assay Laboratory［J］， 1997， 16（3）：48.）

［3］ 周海收，温美娟，辛仁轩.分析实验室［J］，1995，14（6）：56.（ZHOU Hai-shou， WEN Mei-juan，XIN Ren-xuan. Assay Laboratory［J］， 1995，14（6）：56.）

［4］ 黄建军，顾平，陆彩霞. 分析实验室［J］，2008，27（增刊）：369.（HUANG Jian-jun， GUO Ping， LU Cai-xia. Assay Laboratory［J］， 2008，27（Supplementary issue）：369.）

［5］ 杭州大学化学系，编. 分析化学手册（第一分册）.北京：化学工业出版社，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

庞雷（1985—），男，四川南充人，工程师，学士学位，从事核电站水化学工作。