כיצד מחליף חום PTFE עומד בזיהום רדיואקטיבי בחימום מיכל פסולת גרעינית?
השאר הודעה
סביבת מיכל הפסולת הגרעינית
מכלי אחסון לפסולת גרעינית מכילים נוזלים רדיואקטיביים מאוד-מוצרי ביקוע, אקטינידים וכימיקלים קורוזיביים מעיבוד דלק מחדש. המיכלים דורשים חימום למניעת משקעים, לשמירה על יציבות כימית או להכנת הפסולת לזיגוג. מחליף החום בתוך המיכל חשוף הן לשדה הקרינה מהפסולת והן לסביבה הכימית האגרסיבית של תמיסת הפסולת.
מחליפי חום מתכתיים-נירוסטה, טיטניום, זירקוניום-ניצבים בפני שני אתגרים בסביבה זו: קרינה-שיפור קורוזיה וזיהום משטח קבוע. שדה הקרינה מאיץ תגובות קורוזיה. פני המתכת סופגים איזוטופים רדיואקטיביים, מה שהופך את המחליף עצמו לפסולת רדיואקטיבית כאשר הוא מוסר בסופו של דבר. הטיהור קשה, והמחליף הופך לחבות סילוק.
PTFE מתנהג אחרת. סבילות הקרינה שלו נמוכה יותר ממתכות-שבירה מכנית משמעותית מתרחשת במינונים מצטברים מעל 10⁴-10⁵ אפור (1-10 MRad). אבל עבור שיעורי המינון האופייניים למכלי פסולת (10²-10⁴ אפור לשנה), PTFE מספק חיי שירות נאותים. חשוב מכך, PTFE אינו סופג זיהום רדיואקטיבי לתוך המבנה שלו. ניתן לטהר את פני השטח על ידי כביסה כימית, והמחליף המושקע אינו מהווה נטל פסולת רדיואקטיבית משמעותית.
סבילות הקרינה של PTFE
PTFE עובר פיצול שרשרת תחת קרינה מייננת. עמוד השדרה הפולימרי נשבר, ומפחית את המשקל המולקולרי. במינונים מצטברים מעל 10⁴ אפור (1 MRad), מתרחש אובדן ניתן למדידה של חוזק מתיחה והתארכות. ב-10⁵ אפור (10 MRad), החומר מאבד 50-70% מהתכונות המכניות שלו. ב-10⁶ אפור (100 MRad), PTFE הופך שביר ולא שמיש.
קצב מינון הקרינה במיכל פסולת גרעינית משתנה בהתאם להרכב הפסולת ולגיל. עבור פסולת טיפוסית ברמת ביניים-, קצב המינון במשטח הפנימי של המיכל הוא 10²-10⁴ אפור לשנה. מחליף חום PTFE בסביבה זו צובר 10³-10⁵ אפור במהלך חיי שירות של 10 שנים. בקצה התחתון של טווח זה, השפלה המכנית זניחה. בקצה העליון, המחליף עשוי לדרוש החלפה בסימן 5-8 שנים.
| פרמטר קרינה | PTFE | נירוסטה | טִיטָן |
|---|---|---|---|
| מנגנון פירוק קרינה | פיצול שרשרת (החלשה מכנית) | שיפור קורוזיה | שיפור קורוזיה |
| מינון לאובדן רכוש מכני של 25%. | ~5 × 10⁴ אפור (5 MRad) | >10⁷ אפור (ללא אפקט מכני) | >10⁷ אפור |
| מנגנון זיהום פני השטח | ספיגה מינימלית (משטח בלבד) | סרט תחמוצת סופג איזוטופים | סרט תחמוצת סופג איזוטופים |
| יעילות טיהור | מעולה (כביסה כימית משחזרת משטח נקי) | גרוע (איזוטופים חודרים שכבת תחמוצת) | גרוע עד בינוני |
| סיווג ציוד בילה | פסולת-נמוכה (זיהום פני השטח בלבד) | פעילות גבוהה יותר (זיהום בנפח) | פעילות גבוהה יותר |
יתרון הטיהור
טיהור הוא יתרון ה-PTFE החשוב ביותר עבור שירות גרעיני. משטחים מתכתיים סופגים איזוטופים רדיואקטיביים לתוך שכבות התחמוצת שלהם. צזיום, סטרונציום ואקטינידים חודרים לציפוי התחמוצת ומשולבים במשטח המתכת. הסרת הזיהום הזה מחייבת טיפול כימי אינטנסיבי-חומצות חזקות, חומרים מורכבים-שיכולים להזיק למתכת. פעילות שארית נשארת לאחר הטיהור ויש לטפל ברכיב המתכת ולהשליכו כפסולת רדיואקטיבית.
ל-PTFE אין סרט תחמוצת. איזוטופים פעילים של רדיו- אינם מגיעים אל פני השטח. הזיהום מתפשט רק למשטח המולקולרי החיצוני, בעומק של כמה ננומטרים. כל זיהום פני השטח מוסר על ידי שטיפה כימית עם חומצה חלשה או תמיסת טיהור. ניתן לעשות שימוש חוזר ב-PTFE המטונק- או לזרוק כפסולת ברמה נמוכה מאוד.
עבור מתקנים השולטים במלאי הפסולת הרדיואקטיבית שלהם, עומס הפסולת המופחת הקשור לרכיבי PTFE מספק יתרון תפעולי וחסכוני ניכר.
שכבת העל לתאימות כימית
רדיואקטיביות היא לא הבעיה היחידה עם פסולת גרעינית: היא גם עוינת כימית. מחליף החום חשוף לעיבוד חוזר של חומצה חנקתית, קאוסטית המשמשת לנטרול פסולת ולחומרי קומפלקס המשמשים בפעולות טיהור. PTFE אינו מגיב עם אף אחד מהחומרים הללו בשום pH. יש לבחור מחליפי חום מתכתיים כדי שיהיו תואמים לכימיה הספציפית של הפסולת ושינוי בכימיה מהווה סיכון קורוזיה.
PTFE הוא חומר בר-קיימא עבור יישומי חימום מיכלי פסולת בשל עמידותו לקרינה, פשטות הניקוי והאוניברסליות הכימית שלו אם קצב המינון נמצא בגבול הסבילות שלו.
תַקצִיר
מחליפי חום PTFE הם חלופה מתאימה לחימום מכלי פסולת גרעינית כאשר קצב מינון הקרינה יאפשר חיי שירות מספקים. הסבילות של החומר למינון מצטבר של 10⁴-10⁵ אפור מכסה הרבה יישומי מיכל. היתרון העיקרי הוא טיהור - PTFE אינו סופג איזוטופים רדיואקטיביים לשכבת תחמוצת פני השטח. שטיפה כימית מספקת משטח נקי לשחרור. עומס הפסולת הרדיואקטיבי של המחליף המבוזבז נמוך. ל-PTFE יש עמידות כימית אוניברסלית המהווה טיעון חזק לשימוש בו ביישומי חימום מיכלי פסולת גרעינית.
תמיכה הנדסית בסביבת קרינה מפרט מחליף חום PTFE יסופק עם קבלת נתוני שיעור המינון, כימיה של הפסולת, חיי השירות הנדרשים ודרישות הטיהור.
