Problém permeácie lítia v jadrových chladiacich systémoch
Hydroxid lítny (7% LiOH, pH 12,5) pri 120 stupňoch sa používa na kontrolu korózie v primárnych chladiacich slučkách tlakovodného reaktora. Ohrievače PFA prenikajúce lítiovými iónmi môžu spôsobiť korózne praskanie spodného kovového jadra. Kvantitatívna analýza zo 6 jadrových zariadení ukazuje, že čistý PFA vykazuje permeáciu lítia 0,08 mg/cm²·deň po 10 000 hodinách, zatiaľ čo uhlíkom -naplnený PFA (15 %) ukazuje 0,25 mg/cm²·deň v dôsledku dráh súvisiacich s výplňou-. Pre jadrovú službu sa uprednostňuje panenská vysoká{14}}kryštalinita PFA.
Mechanizmus permeácie lítia a detekcia ICP-MS
Li+ (hydratovaný priemer 0,76 nm) difunduje cez amorfné oblasti PFA. Uhlíkové plnivo (15 % hmotn.) vytvára rozhrania polymérového-plniva, ktoré fungujú ako cesty rýchlej difúzie, čím sa zvyšuje permeácia 3x. Limity detekcie ICP-MS pre Li v chladiacej kvapaline sú 0,1 ppb. Testovanie pri 120 stupňoch v 7% LiOH, 10 000 hodín:
| Stupeň PFA | Kryštalinita | Miera permeácie Li⁺ (mg/cm²·deň) | Li v chladiacej kvapaline po 10 000 h (ppb) | Riziko jadrovej korózie |
|---|---|---|---|---|
| panenský (štandardný) | 45% | 0.12 | 2.5 | Mierne |
| Panna (vysoká čistota) | 48% | 0.10 | 2.0 | Mierne |
| Panenský (vysoká kryštalinita) | 58% | 0.05 | 1.0 | Nízka |
| Plnené uhlíkom{{0} (5 %) | 50% | 0.18 | 3.5 | Vysoká |
| Plnené uhlíkom{{0} (15 %) | 52% | 0.25 | 5.0 | Veľmi vysoká |
Kompatibilita s kovom jadra
Akonáhle Li⁺ dosiahne jadro, môže spôsobiť korózne praskanie spôsobené hydroxidom lítnym v určitých zliatinách:
| Jadrový kov | Citlivosť LiOH SCC | Kompatibilita s Permeated Li⁺ | Odporúča sa pre servis PWR |
|---|---|---|---|
| Incoloy 800 | Nízka | Dobre | áno |
| Inconel 690 | Veľmi nízka | Výborne | Áno (preferované) |
| Titánová trieda 2 | žiadne | Výborne | áno |
| Nerezová oceľ 316L | Vysoká | Chudák | Nie |
Kryštalinita a redukcia permeácie
Zvýšenie kryštalinity výrazne znižuje permeáciu lítia. Pre 10 000-hodinový servis požadovaná hrúbka steny na základe kryštalinity:
| PFA kryštalinita | Miera permeácie Li⁺ (mg/cm²·deň) | Hrúbka steny 10 000 h | Li v chladiacej kvapaline pri 10 000 h (cieľ<1 ppb) |
|---|---|---|---|
| 45% | 0.12 | 3,0 mm | 2,5 ppb (presahuje) |
| 50% | 0.08 | 2,5 mm | 1,6 ppb (presahuje) |
| 55% | 0.06 | 2,2 mm | 1,2 ppb (okraj) |
| 58% | 0.05 | 2,0 mm | 1,0 ppb (prijateľné) |
| 60% | 0.04 | 1,8 mm | 0,8 ppb (dobré) |
Problémy s uhlíkovými náplňami
Uhlíkom-plnené PFA sa neodporúča pre jadrovú prevádzku LiOH z dôvodu:
zvýšená priepustnosť (3x vyššia)
Oxidácia uhlíka pri vysokej teplote (tvorba CO₂, zmena chémie chladiacej kvapaliny)
Potenciál uvoľnenia uhlíkových častíc (kontaminujúce chladivo reaktora)
Jadrové špecifikácie zvyčajne zakazujú vodivé polyméry alebo polyméry -naplnené uhlíkom v primárnych okruhoch chladiacej kvapaliny.
Vplyv teploty a koncentrácie LiOH
Pri 120 stupňoch, priepustnosť ako je uvedené vyššie. Pri 100 stupňoch sa permeácia zníži o 60 % (0,02 mg/cm2·deň pre 58 % kryštalinitu). Pri 140 stupňoch (rozrušený stav) sa priepustnosť strojnásobí. Pre PWR s reguláciou teploty špecifikujte materiály pre nominálny uhol 120 stupňov, s rezervou pre odchýlky 130 stupňov.
Špecifikačná príručka pre jadrovú službu
For 7% LiOH at 120°C in PWR primary coolant, specify virgin high-crystallinity PFA (58% minimum by DSC) with Inconel 690 core. Require wall thickness of 2.0mm minimum. Prohibit carbon-filled or conductive grades. Require supplier certification of lithium permeation testing at 120°C for 5000 hours (extrapolated to 10,000 hours). For continuous nuclear operation (18-month fuel cycles, 13,000 hours), specify 2.5mm walls with 60% crystallinity. The premium for high-crystallinity virgin PFA (25-35% over standard) is justified by maintaining coolant purity and preventing core corrosion in nuclear service where heater failure requires reactor shutdown costing >1 000 000 dolárov za deň. Pre výskumné reaktory s kratšími kampaňami môžu byť prijateľné štandardné PFA s 3,0 mm stenami a každoročná analýza lítia.
