PFA sildītāja kļūmju novēršanai karstā nātrija titanāta (Na₂Ti₃O₇, 95 grādi, pH 13) šķīdumos, ko izmanto radioaktīvo atkritumu apstrādei, kā titanāta jonu caurlaidība caur 2,5 mm PFA sienām ir saistīta ar natroniskā titanāta2 veidošanos uz montētās daļiņām2?

Titanāta caurlaidības problēma radioaktīvo atkritumu apstrādē
Radioaktīvo stronciju un aktinīdus ekstrahē no kodolatkritumiem, izmantojot nātrija titanāta (Na₂Ti₃O₄) šķīdumus pie 95 grādiem un pH 13. Pēc iekļūšanas metāla serdē caur 2,5 mm PFA sieniņām titanāta joni hidrolizējas, veidojot titāna dioksīda (TiO₂) nanodaļiņas. Katalizējot ūdens radiolītisko sadalīšanos, šīs nanodaļiņas ražo ūdeņradi, kas trauslā kodolu. Kvantitatīvā izpēte no 4 kodolatkritumu apstrādes iekārtām parāda, ka titanāta caurlaidības ātrums virs 0,10 mg/cm²·dienā rada TiO₂ daļiņu koncentrāciju, kas pārsniedz 50 µg/cm² uz serdes virsmas pēc 12 mēnešiem, izraisot ūdeņraža absorbciju virs 100 ppm un kodola plaisāšanu.

Titanāta caurlaidība un TiO₂ veidošanās mehānisms
2,5 mm PFA amorfie laukumi ļauj izkliedēties titanāta joniem (Ti3O₂²⁻, hidratētais diametrs 1,1 nm). Metāla kodolā (Incoloy 825, 160-180 grādi) titanāts hidrolizē: Ti₃O₇²⁻ + 3H₂O → 3TiO₂ + 2OH⁻. TiO₂ rada nanodaļiņas (5–20 nm), kas ir ļoti katalītiskas ūdens radiolīzei radioaktīvo atkritumu gamma starojuma ietekmē. Testēšana 0,1 M Na₂Ti₃O4, pH 13, gamma deva 100 Gy/h, 12 mēneši, 95 grādos:

PFA pakāpes titanāta caurlaidības ātrums (mg/cm²·dienā) TiO₂ uz serdes (µg/cm²) H₂ veidošanās ātrums (µmol/h·m²) kodola H absorbcija (ppm) serdes plaisāšana 12 mēn.
Standarta (45% kristāliskums) 0.22 120 8.5 250 Smags
55% augsta kristāliskums 0.14 75 5.2 150 Mērens
Rūdīts (58%) 0.09 50 3.5 90 Neliels
10% gēla šķērssaistīta 0.06 35 2.4 60 Nav
Fluorēts (F₂ gāze) 0.04 20 1.4 35 Nav
Radiolītiskā ūdeņraža ģenerēšana, ko katalizē TiO₂
Gama apstarošanas rezultātā ūdens sadalās kā H₂O → ·H + ·OH. TiO₂ nanodaļiņas veicina radikālu rekombināciju ar H₂ un H2O2, palielinot neto H₂ iznākumu par 5–10. Hidrīda veidošanos un trauslumu izraisa metāla serdeņa, kas absorbē ūdeņradi. Kritiskā ūdeņraža koncentrācija Incoloy 825 krekingam ir 100 daļas uz miljonu.

TiO₂ uz serdes (µg/cm²) H₂ iznākuma palielināšanas koeficients H, absorbcijas ātrums (ppm/mēnesī) Mēneši līdz 100 ppm H
0 1.0x 2 50
20 3x 6 17 50 5x 10 10 75 7x 14 7 120 10x 20 5
Sienas biezums un titanāta barjera
Dažādām PFA kategorijām ir atšķirīga caurlaidība 2,5 mm sienām. Kristalitāte, kas nepieciešama, lai 12 mēnešu TiO₂ uzturētu zem 50 µg/cm²:

PFA pakāpes titanāta caurlaidība (mg/cm²·dienā) TiO₂ 12 mēnešos (µg/cm²) atbilst<50 µg/cm²?
45% kristāliskuma, 2,5 mm 0.22 120 nav 50% kristāliskuma, 2,5 mm 0.18 95 nav 55% kristāliskuma, 2,5 mm 0.11 60 nav 58% kristāliskuma, 2,5 mm 0.07 38 jā 60% kristāliskuma, 2,5 mm 0.05 27 jā
Pamatmateriāla un ūdeņraža trausluma jutība
Ūdeņradi dažādos veidos absorbē vairāki metāli:

Kritiskais H plaisāšanai (ppm) Pamatmetāls H Šķīdība (ppm pie 160 grādiem) H Absorbcijas ātrums pie 10 ppm/mēnesī (mēneši līdz kritiskajam) Ieteicams radioaktīvai lietošanai
Incoloy 825 200 100 10 Marginal
Hastelloy C-276 150 80 8 Nr
2. pakāpes titāns 800 300 (hidrīds) 30. Pieņemams
Cirkonijs 702 1000 400 40 Labs
Tantals 50 25 2.5 Nē (slikta šķīdība)
Gamma devas ātruma efekti
H₂ ražošanu palielina lielākas gamma devas. Iepriekš minētie dati par 100 Gy/h, kas ir izplatīti zemas-aktivitātes atkritumiem. Pie 500 Gy/h (augsta -līmeņa atkritumi) H₂ veidošanās ātrums ir 4 reizes lielāks, tāpēc titanāta caurlaidība ir mazāka par 0,02 mg/cm²/dienā, lai 12 mēnešu TiO₂ uzturētu zem 20 µg/cm².

Radioaktīvo atkritumu sildītāju specifikācijas norādījumi
Specify PFA with a minimum crystallinity of 58% (annealed or slow-cooled), a wall thickness of 2.5 mm, and a titanium Grade 2 core for sodium titanate solutions at 95°C, pH 13, and gamma radiation. Require supplier confirmation of titanate permeation below 0.08 mg/cm²·day at 95°C in pH 13 solution. 60% crystallinity with 3.0 mm walls and zirconium core is required for high-level waste services (gamma >200 Gy/h). Augstas -kristāliskuma PFA (par 30-50 % virs standarta) piemaksa ir pamatota ar ūdeņraža trausluma samazināšanu radioaktīvo atkritumu apstrādē, kur sildītāja atteice izraisa radioaktīvo emisiju. Zema līmeņa atkritumiem ar gamma<10 Gy/h, standard PFA (50% crystallinity) with 2.5mm walls may be suitable with annual core hydrogen monitoring. When TiO₂ on core exceeds 30 µg/cm² (determined by XRF), schedule heater repair within 6 months. Use external heating (heat trace on tank walls) to completely prevent infiltration for the highest level of safety.