技術講座：核子安全的未來：創新氫氣感測器在其他感測器失效的情況下也能正常運作

固態氫感測器在不同載氣下的性能

試想：在核子處理設施內部，氫氣會因輻射分解、腐蝕反應和同位素處理作業而悄無聲息地累積。在未被察覺的情況下，氫氣濃度會逐漸接近可燃閾值。如果沒有持續可靠的氫氣監測，設施將面臨火災隱患、過壓風險以及可能導致災難性事故的密封挑戰。

在核子處理環境中，氫氣檢測是一項至關重要的安全和製程控制功能，因為氫氣可能由輻射分解、腐蝕反應和同位素處理操作產生。在涉及水冷反應器、燃料後處理、廢物處理或熱室反應器的系統中，氫氣的生成速率會隨輻射強度、化學反應和材料相互作用而變化。如果沒有持續可靠的監測，氫氣的累積會導致可燃性危險、壓力過高以及安全殼安全殼的挑戰。

核設施中關鍵氫探測面臨的挑戰

由於核設施中存在低氧或無氧環境、惰性載氣、高溫和輻射暴露等特殊條件，精確監測氫氣濃度面臨獨特的挑戰。許多傳統的感測技術在這些條件下容易出現靈敏度低、電解液損耗或訊號漂移等問題。

氘分析，即測量氘（氫的穩定重同位素）的濃度或交換，以研究分子結構、生物過程和環境系統，通常被納入核氫監測計劃中，因為它能夠使用非放射性氫同位素來驗證製程性能。

除了安全監測之外，氫和氘的測量還能為整個核燃料循環的運作提供洞見。連續的氫和氘數據可以指示同位素分離裝置、氚處理設施和乏燃料儲存等系統中的材料劣化、異常化學反應或製程偏差。透過提供氫行為的即時回饋，H2scan感測器有助於改善製程控制、預測性維護和合規性。

而H2scan的先進固態氫感測器正是在此發揮了關鍵作用。這些感測器專為安全關鍵型應用而設計，可在空氣、氮氣、氦氣甚至真空環境下可靠運行，為核設施提供所需的穩定性能。

氘與H2scan的感測元件相互作用，其機制與氫相同，均為解離吸附和擴散機制，從而可以對響應特性、校準穩定性以及同位素依賴性動力學進行有效評估。這種方法有助於系統在含氚環境下進行驗證和準備，同時最大限度地降低開發和測試過程中的放射性風險。

氫氣感測器技術是早期檢測的核心

對於核設施監測，H2scan感測器採用了一種截然不同的方法：氫在感測器表面發生解離吸附，隨後原子氫擴散到感測元件中。這種原子級相互作用使其對氫和氘具有極高的選擇性，同時完全避免了基於燃燒或消耗性感測機制隨時間推移而性能下降的問題。

其優點顯而易見：

• 無電解質損耗或化學物質消耗
• 在較長的部署期內實現穩定、可重複的測量
• 在無氧和惰性氣體環境中具有優異的性能
• 對氫氣具有極佳的選擇性，且受其他氣體幹擾極小。
• 可在多種載氣條件下可靠運行，包括氮氣、氦氣、空氣和真空。

除了安全監測之外，這些感測器還能提供貫穿整個核燃料循環的即時製程資訊。連續的氫和氘數據可以揭示同位素分離裝置、氚處理設施和乏燃料儲存系統中的材料劣化、異常化學反應和製程偏差。

氘透過與氫相同的解離吸附和擴散機制與 H2scan 的感測元件相互作用，從而可以對響應行為、校準穩定性和同位素依賴性動力學進行有意義的評估。

CAI評估中的卓越表現：數據揭示了什麼

使用客製化的PSI氣體感測器測試站對H2scan HY-OPTIMA 5332型和700系列氫氣感測器進行了校準測試。此測試站旨在精確控制氣體成分和壓力。系統壓力由Keller Lex 1壓力感測器監測，其測量範圍為0–2 bar(a)，精度為滿量程的±0.05%。氣體混合物的精度保持在±1 mbar以內，以確保測試條件的可重複性和可控性。

整個評估過程中均使用高純度氣體，以最大程度地減少背景污染並隔離感測器的響應特性。氘氣純度為 99.8%，氮氣和氦氣載氣純度為 99.996%。選擇這些氣體是為了模擬核加工應用中常見的惰性低氧環境。

測量在室溫（19 至 22 °C）下進行，測量點之間固定間隔 10 分鐘，以使感測器穩定並達到表面平衡。 HY-OPTIMA 5332 型和 700 系列感測器在其 0–5%（體積比）氘的整個工作範圍內進行了評估。

使用福祿克179型數位萬用電錶測量類比感測器的輸出，此萬用電錶電流解析度為0.01 mA，精度為±(1.0% + 3個字)。該儀器能夠在受控氣體暴露條件下精確評估感測器的響應、重複性和校準性能。

優異的穩定性和重複性

兩種型號的感測器在多次測試循環中均能保持測量結果的一致性，漂移或基線變化極小。這種穩定性對於核設施的長期部署至關重要，因為更換感測器成本高且後勤保障難度高。表1展示了感測器在各種環境下的性能。

表1. HY-OPTIMA 5332 和 720 型號在不同環境下的穩定性、重複性和響應

載氣效應

測試數據表明，氧氣與感測表面的相互作用是決定氫氣響應行為的主要因素。在空氣環境中，分子氧會佔據活性表面位點，需要先將其置換出來，氫氣才能解離和吸收。這種競爭性吸附機制會導致反應時間延長和延遲增加，尤其是在氫氣濃度較低時，表面覆蓋率的影響更為顯著。

相較之下，在氮氣和氦氣載氣中進行的測量顯示出更快的響應動力學，這是由於氧含量較低所致。這些惰性環境最大限度地減少了表面位點競爭，使氫氣更容易解離並擴散到感測元件中。氦氣表現出最快的反應速度，這歸因於其化學惰性和低分子量，這降低了邊界層效應，並促進了感測器表面的高效氣體交換。

在真空條件下，感測器響應越來越受表面限制，凸顯了化學吸附動力學而非體擴散的作用。雖然氫的解離和吸收仍然活躍，但氣體密度降低和傳熱機制的改變導致了基線波動和更長的穩定時間。這些結果強調了載氣成分在解讀氫感測器性能時的重要性，尤其是在核加工和先進製造系統中常見的低氧或真空環境中。

氫氣感測器自校準行為

HY-OPTIMA 5332型和700系列的校準結果均表明，在氦氣和氮氣載氣中，對氘濃度具有很強的線性響應，證實了 H2scan 感測方法在惰性條件下的穩健性。

如校準資料集所示，兩種感測器模型均表現出較高的決定係數（R² ≈ 0.95–0.99），顯示測量訊號與D₂體積百分比之間具有一致的比例關係。線性擬合進一步突顯了感測器在0–5%測量範圍內的可預測性能，支援在應用適當的零點校準和穩定程序後，不同載氣之間可靠的校準傳遞。

氦氣和氮氣載氣之間的差異反映了背景氣體特性對感測器靈敏度和響應斜率的影響。在兩種感測器模型中，相同氘濃度下，氮氣環境產生的訊號輸出略高，這與氮氣相比擴散率降低和表面交換動力學改變一致。氦氣測量雖然斜率略低，但仍保持了優異的線性度，這凸顯了感測器在核應用中常見的低密度、高惰性環境中有效工作的能力。

HY-OPTIMA 5332 型和 700 系列均採用氮氣或空氣進行零點校準，並使用經認證的氫氣作為跨度氣體，以在校準前建立穩定的基線。溫度和流量的穩定性被認為是獲得可重複結果的關鍵因素，尤其是在切換具有不同熱學和質傳特性的載氣時。傳統的和目前的校準規程都強調漂移控制和對氧氣背景的關注，以保持長期精度。這確保了在長時間部署和各種運行環境下效能的一致性。

了解表演背後的科學原理

卓越的性能源自於H2scan的核心感測技術。在空氣環境中，分子氧會與氫氣競爭活性表面位點，需要先置換出活性位點，氫氣才能解離並吸附。這種競爭性吸附會導致響應時間延長。然而，在核加工中常用的氮氣和氦氣載氣中，氧的競爭被消除，從而實現了更快的響應動力學和更高效的氫氣檢測。氦氣由於其化學惰性和低分子量，能夠提供最快的響應速度，這降低了邊界層效應，並促進了感測器表面的高效氣體交換。

結論：卓越的監測性能助力關鍵核安應用

H2scan 的 HY-OPTIMA 感測器代表了核加工應用中氫氣和氘監測的突破。其固態設計、卓越的穩定性、線性響應特性以及在多種載氣中久經考驗的性能，使其完美契合核設施的嚴苛要求。

無論是監控安全合規性、最佳化製程控制，或是支援預測性維護計劃，這些感測器都能提供核電運作所需的精度和可靠性。 H2scan 技術能夠在傳統感測器失效的嚴苛環境中提供持續可靠的氫氣檢測，幫助設施維持最高的安全標準，並支援卓越營運。

隨著氫在核燃料循環的各個環節——從反應器運行到同位素分離和廢物管理——發揮日益重要的作用，對穩健可靠的監測的需求也變得空前迫切。 H2scan成熟的技術為更安全、更有效率的核子處理作業奠定了基礎。

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