A borát lerakódási kihívás
A nyomás alatti vizes reaktorok bórsavat használnak az elsődleges hűtőközegben a reakcióképesség szabályozására. A bórkoncentráció az üzemanyagciklus kezdetén 2000 ppm-től a végén közel nulláig változik. A vegyszeres és térfogatszabályozó rendszerben lévő hőcserélők 50-150 fokos bórvizet kezelnek. Amikor a bórtartalmú vizet melegítjük vagy töményítjük, a bórsav borátkőként kristályosodhat a hőcserélő felületen.
A borát lerakódás nem csak hőátadási probléma,{0}} hanem a reaktor kémiai problémája. A bór neutronelnyelő. A hőcserélő felületén lévő borát lerakódások eltolják a helyi neutronegyensúlyt, ami potenciálisan befolyásolja a reaktor teljesítményeloszlását. A lerakódást forró vizes oldással kell eltávolítani, ami megszakítja a reaktor működését.
A fém hőcserélők-rozsdamentes acél, inconel-borátlerakódást halmoznak fel a felületen. A vízkő hidroxilcsoport-kölcsönhatásokon keresztül kötődik a fém-oxidhoz. A forró fémfelület a lokális koncentrációnövekedést váltja ki, ami kiváltja a kristályosodást.
A PTFE hőcserélők felületi inertsége révén ellenállnak a borát lerakódásnak. A fluorpolimer nem tartalmaz hidroxilcsoportokat a borátkötéshez. Az alacsonyabb falhőmérséklet csökkenti a helyi koncentráció hatását. A skála nem alakul ki.
A bórsav kristályosodási mechanizmusa
A bórsav (H3BO3) vízben oldódik körülbelül 50 g/l-ben 25 fokon és 100 g/l-ben 100 fokon. Az oldhatóság a hőmérséklettel nő. Amikor a bórtartalmú vizet felmelegítjük a hőcserélő felületén, a bórsav jobban oldódik,{6}}nem kevésbé. A kristályosodás nem a hőmérséklet-emelkedésből, hanem a koncentrációnövekedésből következik be, amikor a víz a forró felületen elpárolog. A határréteg az oldhatósági határon túl bórsavat dúsít. A felületen bórsav kristályok válnak ki.
Fémfelületen a bórsavkristályok hidrogénkötésen keresztül kötődnek: a bórsavas B-OH csoportok kölcsönhatásba lépnek a fémoxidon lévő M-OH csoportokkal. A kötés erős. A skála a folyamatos lerakódással növekszik.
A PTFE-nek nincsenek M-OH csoportjai. A bórsav nem talál kötőpartnereket. A határrétegben képződő kristályok részecskékként maradnak a vízben, és az áramlás elszállítja őket.
| Borát skála paraméter | Rozsdamentes acél | Inconel 600 | PTFE |
|---|---|---|---|
| Felületi -OH csoportok borát kötéshez | Igen (oxid) | Igen (oxid) | Egyik sem |
| Bórsavas lerakódás (relatív) | 1.0 (alapvonal) | 0.8-1.0 | 0.05-0.1 |
| Vízkő eltávolítási módszer | Forró víz oldás | Melegvíz | Flow flush |
| A skála neutronegyensúly hatása | Igen (bór skála) | Igen | Nincs (nincs skála) |
A sugárzási környezet figyelembevétele
Az elsődleges hűtőfolyadék radioaktív,{0}}aktivált korróziós termékeket és tríciumot tartalmaz. A vegyszer- és térfogatszabályozó rendszer hőcserélője 10²-10⁴ szürke/év sugárzási mezőben működik. A PTFE sugárzástűrése korlátozott-, jelentős mechanikai lebomlás 10⁴-10⁵ Gray feletti kumulatív dózisoknál. A CVCS kisebb dózisú szakaszaihoz a PTFE megfelelő élettartamot biztosít. A reaktortartály közelében lévő nagyobb dózisú szakaszok esetében a vízkőprobléma ellenére fémcserélőkre lehet szükség.
A sugárzás megfontolását eseti alapon kell értékelni--alaponként. A leengedő hőcserélő CVCS-alacsonyabb-dózisú régióiban a bórsavas pótfűtés-PTFE vízkőállóságot és megfelelő sugárzástűrést is biztosít. Az anyagválasztást a beépítési hely adott dózisteljesítménye határozza meg.
A kémiai tisztaság megőrzése
A nukleáris hűtőközeg kémiája szigorúan ellenőrzött. A fémes hőcserélők nyomokban fémionokat -vasat, krómot, nikkelt- bocsátanak ki a hűtőfolyadékba. Ezek a fémek a neutronfluxusban aktiválódnak, és radioaktív korróziós termékekké válnak. Lerakódnak a reaktormagban, sugárzási forró pontokat hozva létre. A PTFE nem bocsát ki fémionokat. A hűtőfolyadék mentes marad a hőcserélőből-származott aktivált korróziós termékektől. Ennek megfelelően alacsonyabb a dózisteljesítmény az üzemben.
Összegzés
A PTFE hőcserélők ellenállnak a borát lerakódásnak a nukleáris primer hűtőközeg melegítésében egy nem -kötő felületen keresztül, amely megakadályozza a bórsavkristályok adhézióját. A fémionok felszabadulásának hiánya csökkenti az aktivált korróziós termék képződését-, ami jelentős előny az atomerőművek sugárzáskezelésében. A sugárzástűrés a PTFE-t a hűtőfolyadék-rendszer alacsonyabb-dózisú szakaszaira korlátozza, ahol a vízkőállóságot és az elfogadható élettartamot is biztosítja. A megfelelő dózistartományú CVCS alkalmazásokhoz a PTFE működési és radiológiai előnyöket kínál.
Műszaki támogatás a nukleáris PTFE hőcserélő specifikációjához a bórkoncentráció, a hűtőközeg kémiája, a sugárzási dózisteljesítmény és az aktuális léptékkezelési eljárások benyújtásával érhető el.
