СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДОРОДА
METHOD OF DETERMINING CONCENTRATION OF HYDROGEN

Предлагаемое изобретение относится к области контроля герметичности трубопроводов и сосудов, в которых нарушение герметичности сопровождается появлением водорода в контролируемом объеме, и может использоваться преимущественно на атомных электростанциях (АЭС) с реакторами на быстрых нейтронах.
Указанные реакторные установки содержат парогенераторы, греющей средой в которых является жидкий натрий, а нагреваемой средой - вода и водяной пар. Парогенераторы представляют собой теплообменники трубчатой конструкции, снаружи трубок циркулирует натрий, а внутри - вода и водяной пар под давлением, во много раз превышающем давление натрия.
В случае нарушения герметичности стенок теплообменника вода, попадая в натрий, вступает с ним в химическую реакцию с выделением большого количества тепла, и, если величина течи достигает нескольких граммов в секунду, образующийся тепловой факел может прожечь соседние трубки теплообменника, т.е. привести к лавинообразному нарастанию течи и разрушению парогенератора. Как правило, нарушение герметичности теплообменников натрий-вода начинается с микротрещин в теплопередающих поверхностях и сопутствующих им микротечам воды в натрий. Задача систем контроля герметичности парогенераторов с натриевым теплоносителем состоит в обнаружении разгерметизации теплообменника на стадии микротечей и вывода его из работы до начала саморазвития течи до опасной величины.
В настоящее время наиболее эффективным методом обнаружения микротечей воды в натрий является метод контроля концентрации водорода в натриевом контуре, т.к. при химическом взаимодействии натрия с водой образуется водород, который частично растворяется в натрии, а частично уносится натрием в виде газовых пузырьков. Задача устройств контроля герметичности - обнаружить водород в натрии на стадии микротечей, когда концентрация водорода на превышает одной десятимиллионной весовой доли.
Одним из известных методов контроля водорода является способ измерения концентрации водорода по а.с. 1713882, предполагающей пропускание водородосодержащей газовой смеси над поверхностью диффузионной мембраны, избирательно проницаемой только для водорода, с последующей передачей прошедшего через мембрану водорода к датчику в потоке инертного газа-носителя, а водородосодержащая газовая смесь перед подачей к мембране разбавляется парами воды.
Этот метод не может быть применен для контроля содержания водорода в контурах с жидким натрием, т.к. в этом случае в натрии будет образовываться дополнительный водород за счет введенных в натрий паров воды, а изначально постановка задачи предполагает именно контроль микротечи паров воды через микронеплотности стенки теплообменника натрий-вода.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу определения концентрации водорода является способ контроля водорода, реализованный в устройстве для контроля герметичности по а.с. 903722. Это устройство содержит вакуумную камеру с водородопроницаемой мембраной, погруженной в контролируемую среду - жидкий натрий. Внутренняя часть вакуумной камеры непрерывно вакуумируется магниторазрядным насосом. При этом величина тока, потребляемого магниторазрядным насосом от источника питания, пропорциональна потоку водорода через водородопроницаемую мембрану, а поток водорода, в свою очередь, пропорционален концентрации водорода в натрии, связанной с количеством попавшей в натрий воды, т.е. величиной течи.
Недостатком этого способа измерения концентрации водорода является свойственная магниторазрядным насосам молекулярная откачка, когда часть молекул водорода сорбируется электродами магниторазрядного насоса без предварительной ионизации под действием электрического и магнитного полей магниторазрядного насоса с образованием ионов водорода, движение которых и создает ток магниторазрядного насоса.
Таким образом, при наличии молекулярной откачки уменьшается ток магниторазрядного насоса, причем степень этого уменьшения не является постоянной, соответственно требуется периодическая градуировка системы контроля потока водорода путем дозирования в натрий известных количеств водорода и контроля соответствующих им величин тока магниторазрядного насоса.
Для устранения недостатков, присущих прототипу, предлагается способ определения концентрации водорода, при котором на вакуумной камере дополнительно устанавливают вакуумметр, фиксируют ток магниторазрядного насоса, соответствующий текущей концентрации водорода, после этого выключают источник питания магниторазрядного насоса на время, достаточное для натекания водорода в вакуумную камеру до достижения равновесного давления, по которому вычисляют концентрацию водорода, вновь включают питание магниторазрядного насоса и сравнивают зафиксированное значение тока с вычисленной концентрацией водорода.
Предложенный способ определения концентрации водорода поясняется схемой, приведенной на рис.1.
Контролируемая среда - натрий с растворенным в нем водородом из трубопровода 1 через теплообменник - рекуператор 2 подается к водопроницаемой мембране 6. Движение натрия в рекуператоре 2 осуществляется за счет разности давления между входным отверстием 3 и выходным отверстием 4 рекуператора 2, а разность давлений возникает из-за динамического торможения потока натрия, движущегося со скоростью V, у выступающей в трубопровод 1 части рекуператора 2. Для подогрева натрия до рабочей температуры снаружи рекуператора 2 намотан электрический нагреватель 5. Водородопроницаемая мембрана 6 сообщена с вакуумной камерой 7, соединенной с магниторезонансным насосом 8 и вакуумметром 9. Питание магниторазрядного насоса 8 высоким напряжением и контроль тока магниторазрядного насоса 8 производится источником питания 10, на который подается сетевое питание через выключатель 11. При выключенном сетевом питании в камере 7 по истечению определенного времени устанавливается равновесное давление водорода, равное давлению водорода в трубопроводе с жидким натрием 1.
Экспериментально получена зависимость равновесного давления от концентрации водорода
,
H2
где P - равновесное давление водорода в натрии, мм рт.ст. (Торр);
C - концентрация водорода в натрии в миллионных долях по весу (ррм).
При включенном выключателем 11 сетевом питании источника питания 10 последний преобразует сетевое напряжение в высоковольтное напряжение постоянного тока, подаваемое на магниторазрядный насос 8. Ток магниторазрядного насоса 8, потребляемый от источника питания 10 при установившимся режиме, пропорционален потоку водорода из трубопровода с натрием 1 через мембрану 6 в вакуумную камеру 7. При этом в камере 7 устанавливается низкое давление, практически вакуум, а ток магниторазрядного насоса 8, контролируемый источником питания 10, будет пропорционален концентрации водорода в трубопроводе с натрием 1. Если выключателем 11 отключить сетевое питание источника питания 10, магниторазрядный насос 8 прекращает откачку, в камеру 7 через мембрану 6 происходит натекание водорода до равновесного давления в соответствии с формулой (1). После завершения натекания фиксируют установившееся равновесное давление вакуумметром 9 и сравнивают его с током магниторазрядного насоса 8 до выключения сетевого питания. Таким образом, устанавливают соответствие тока магниторазрядного насоса 8 концентрации водорода в трубопроводе с натрием 1.
После этого выключателем 11 вновь включают измерительный блок 10 на постоянный режим работы до следующей контрольной градуировки. Аналогично проводят градуировку измерительного блока 10 с магниторазрядным насосом 8 при других концентрациях водорода в контролируемой среде.
В предлагаемом способе контроля концентрации водорода вакуумметр 9 используется в качестве эталонного средства, но только в течение короткого отрезка времени, составляющего десятки секунд - единицы минут после предшествующего вакуумирования камеры 7 магниторазрядным насосом 8. При длительном отключении магниторазрядного насоса 8 давление в вакуумной камере 7 будет определяться не только натеканием водорода до равновесного давления, но и натеканием газа из конструкционных материалов и через микронеплотности вакуумной системы, поэтому вакуумметр 9 нельзя использовать в качестве единственного средства контроля концентрации водорода в течение длительного времени.
В предложенном способе контроля взаимно нейтрализуются недостатки магниторазрядного насоса 8 и вакуумметра 9 как средств измерения концентрации водорода.
Предложенный способ при его реализации на АЭС может обеспечить надежный контроль герметичности теплообменников и позволяет упростить процедуру периодической градуировки систем контроля концентрации водорода в натрии.