Środowisko radiacyjne
Zakłady przerobu paliwa jądrowego, zakłady produkujące radioizotopy i niektóre operacje sterylizacji medycznej narażają sprzęt procesowy na promieniowanie jonizujące. Wymienniki ciepła w takich środowiskach muszą wytrzymać nie tylko wyzwania chemiczne związane z kwasem azotowym i innymi płynami procesowymi, ale także skumulowane skutki promieniowania gamma na przestrzeni lat pracy.
Całkowita dawka pochłonięta przez wymiennik ciepła w obiekcie nuklearnym o średniej-aktywności może osiągnąć 10⁵ do 10⁶ Graya (10-100 MRad) w ciągu 10-letniego okresu użytkowania. Przy tych poziomach dawek polimery ulegają znaczącym zmianom molekularnym – rozerwaniu łańcucha lub sieciowaniu – które zmieniają ich właściwości mechaniczne.
Czasami do zastosowań związanych z promieniowaniem rozważa się ETFE (kopolimer etylenu-tetrafluoroetylenu), ponieważ uważa się, że jego częściowo fluorowana struktura zapewnia lepszą odporność na promieniowanie niż całkowicie fluorowany PTFE. To przekonanie jest słuszne. Jednak wielkość różnicy-i to, czy ma ona znaczenie dla obsługi wymiennika ciepła-wymaga zbadania.
Różnica w chemii promieniowania
Promieniowanie jonizujące oddziałuje z polimerami poprzez osadzanie energii wzdłuż łańcucha polimeru. Energia rozrywa wiązania chemiczne, tworząc wolne rodniki. Los tych rodników decyduje o tym, czy polimer ulegnie degradacji (rozerwanie łańcucha), czy też wzmocni się (sieciowanie).
W PTFE rodniki-indukowane promieniowaniem ulegają głównie rozszczepieniu łańcucha. Szkielet C-C pęka. Masa cząsteczkowa maleje. Skrócone łańcuchy mają zmniejszoną wytrzymałość mechaniczną. Efekt jest kumulatywny i nieodwracalny. Przy dawce 10⁴ Gy (1 MRad) zmiany są mierzalne, ale przy małej-wytrzymałości na rozciąganie mogą spaść o 5–10%. Przy 10⁵ Gy (10 MRad) utrata wytrzymałości jest znaczna – 30-50%. Przy 10⁶ Gy (100 MRad) PTFE staje się kruchy i mechanicznie bezużyteczny.
W ETFE jednostki komonomeru etylenu (-CH₂-CH₂-) w szkielecie polimeru zmieniają odpowiedź na promieniowanie. Wiązania C-H w jednostkach etylenu są bardziej podatne na tworzenie rodników niż wiązania C-F, ale powstałe rodniki mają tendencję do sieciowania, a nie rozrywania łańcucha. Sieciowanie zwiększa masę cząsteczkową i może poprawić pewne właściwości mechaniczne. ETFE zachowuje użyteczne właściwości mechaniczne przy wyższych dawkach promieniowania niż PTFE.
| Parametr odporności na promieniowanie | PTFE | ETFE |
|---|---|---|
| Dominujący efekt promieniowania | Rozerwanie łańcucha (degradacja) | Sieciowanie (stabilizacja) |
| Dawka, od której zaczyna się mierzalna zmiana właściwości (Gy) | ~10³ (0,1 MRad) | ~10⁴ (1 MRad) |
| Dawka przy 25% utracie wytrzymałości na rozciąganie (Gy) | ~5 × 10⁴ (5 MRad) | ~5 × 10⁵ (50 MRad) |
| Dawka, przy której materiał staje się kruchy (Gy) | ~10⁶ (100 MRadów) | ~2 × 10⁶ (200 MRadów) |
| Żywotność w środowisku 10⁴ Gy/rok (lata) | 2-5 | 10-20 |
| Ryzyko związane z obsługą-po napromieniowaniu | Wysoka (kruche pęknięcie) | Umiarkowany (zachowuje pewną ciągliwość) |
Praktyczny kontekst dawki
Przewaga ETFE w zakresie odporności na promieniowanie w porównaniu z PTFE jest realna, ale należy ją umieścić w odpowiednim kontekście. W większości zastosowań wymienników ciepła w obiektach jądrowych moc dawki promieniowania w miejscu wymiennika ciepła jest stosunkowo niska,-ponieważ-strefy wysokiego promieniowania znajdują się gdzie indziej w procesie.
Wymiennik ciepła umieszczony w obszarze o mocy dawki 10²–103 Gy/rok będzie akumulował jedynie 10³–10⁴ Gy w ciągu 10-letniego okresu użytkowania. W tych dawkach zarówno PTFE, jak i ETFE odpowiednio zachowują swoje właściwości mechaniczne. Różnica promieniowania między dwoma materiałami jest nieistotna.
W lokalizacjach o wysokim-promieniowaniu, gdzie skumulowana dawka przez cały okres eksploatacji sprzętu zbliża się lub przekracza 10⁵ Gy, wybór pomiędzy PTFE a ETFE staje się znaczący. ETFE dłużej zachowa integralność mechaniczną. Jednak nawet ETFE w końcu ulegnie degradacji. Wymianę sprzętu należy zaplanować w oparciu o przewidywaną akumulację dawki, niezależnie od wyboru materiału.
Nakładka odporności chemicznej
Odporność na promieniowanie nie istnieje samodzielnie. Materiał wymiennika ciepła musi również być odporny na chemię procesu. W przypadku ponownego przetwarzania paliwa jądrowego chemią tą jest zazwyczaj wrzący kwas azotowy. PTFE jest bezwarunkowo odporny na kwas azotowy. ETFE ma dobrą, ale nie bezwarunkową odporność,-może zostać zaatakowany przez silne kwasy utleniające w podwyższonych temperaturach.
Decyzja o wyborze materiału musi uwzględniać doskonałą odporność ETFE na promieniowanie w porównaniu z doskonałą odpornością chemiczną PTFE. W większości zastosowań jądrowych chemia procesu (która atakuje w sposób ciągły) stwarza większe ryzyko niż pole promieniowania (które ulega kumulatywnej degradacji). Z tego powodu PTFE jest częściej wybieranym wyborem.
Streszczenie
Wymienniki ciepła ETFE oferują lepszą odporność na promieniowanie gamma niż PTFE, zachowując właściwości mechaniczne przy dawkach około 5-10 razy wyższych. Jednakże w większości lokalizacji wymienników ciepła w obiektach jądrowych moc dawki promieniowania jest na tyle niska, że oba materiały przetrwają planowany okres użytkowania sprzętu. Doskonała odporność chemiczna PTFE na kwas azotowy i inne chemikalia stosowane w procesach nuklearnych często sprawia, że jest to preferowany wybór pomimo przewagi ETFE w zakresie promieniowania. Ostateczny wybór zależy od konkretnej dawki, składu chemicznego procesu i planowania wymiany sprzętu.
Wsparcie inżynieryjne w zakresie wyboru materiału na środowisko radiacyjne jest dostępne po przedstawieniu oczekiwanej mocy dawki, składu płynu procesowego, temperatury roboczej i wymaganego okresu użytkowania sprzętu.
