Izazov taloženja borata
Reaktori sa vodom pod pritiskom koriste borovu kiselinu u primarnoj rashladnoj tečnosti za kontrolu reaktivnosti. Koncentracija bora varira od 2.000 ppm na početku ciklusa goriva do blizu nule na kraju. Izmjenjivači toplote u sistemu hemijske i zapreminske kontrole vode sa boriranom vodom na temperaturama od 50-150 stepeni. Kada se borovana voda zagrije ili koncentriše, borna kiselina može kristalizirati kao boratni kamenac na površini izmjenjivača topline.
Boratni kamenac nije samo problem prijenosa topline-već je problem kemije reaktora. Bor je apsorber neutrona. Naslage borata na površini izmenjivača toplote pomeraju lokalni balans neutrona, potencijalno utičući na distribuciju snage reaktora. Kamenac se mora ukloniti otapanjem vrućom vodom, što prekida rad reaktora.
Metalni izmjenjivači topline-nerđajući čelik, inconel-akumuliraju boratni kamenac na površini. Skala se vezuje za metalni oksid kroz interakcije hidroksilnih grupa. Vruća metalna površina pokreće lokalno povećanje koncentracije koje pokreće kristalizaciju.
PTFE izmjenjivači topline otporni su na boratni kamenac kroz površinsku inertnost. Fluoropolimer nema hidroksilne grupe za boratnu vezu. Niža temperatura zida smanjuje učinak lokalne koncentracije. Skala se ne formira.
Mehanizam kristalizacije borne kiseline
Borna kiselina (H₃BO₃) je rastvorljiva u vodi pri približno 50 g/L na 25 stepeni i 100 g/L na 100 stepeni. Rastvorljivost raste s temperaturom. Kada se borovana voda zagrije na površini izmjenjivača topline, borna kiselina postaje rastvorljivija-ne manje. Kristalizacija se ne događa povećanjem temperature, već povećanjem koncentracije kada voda isparava na vrućoj površini. Granični sloj postaje obogaćen bornom kiselinom preko granice rastvorljivosti. Na površini se talože kristali borne kiseline.
Na površini metala, kristali borne kiseline se vezuju kroz vodoničnu vezu: B-OH grupe na bornoj kiselini interaguju sa M-OH grupama na metalnom oksidu. Veza je jaka. Skala raste kroz kontinuirano taloženje.
PTFE nema M-OH grupe. Borova kiselina ne nalazi vezujuće partnere. Kristali koji se formiraju u graničnom sloju ostaju kao čestice u vodi i odnesu se tokom.
| Parametar skale borata | nerđajući čelik | Inconel 600 | PTFE |
|---|---|---|---|
| Površinske -OH grupe za boratno vezivanje | da (oksid) | da (oksid) | Nema |
| Adhezija kamenca borne kiseline (relativna) | 1.0 (osnovna linija) | 0.8-1.0 | 0.05-0.1 |
| Metoda uklanjanja kamenca | Otapanje toplom vodom | Topla voda | Flow flush |
| Utjecaj vaga na balans neutrona | Da (bor u mjerilu) | Da | Ništa (bez skale) |
Razmatranje radijacijske sredine
Primarno rashladno sredstvo je radioaktivno-sadrži aktivirane produkte korozije i tricij. Izmjenjivač toplote u sistemu kontrole hemikalija i zapremine radi u polju zračenja od 10²-10⁴ Grey/god. Tolerancija na zračenje PTFE je ograničena-značajna mehanička degradacija pri kumulativnim dozama iznad 10⁴-10⁵ Grey. Za sekcije CVCS sa nižim dozama, PTFE obezbeđuje adekvatan radni vek. Za sekcije veće doze u blizini reaktorske posude, metalni izmjenjivači mogu biti potrebni uprkos problemu s kamencem.
Razmatranje zračenja se mora procijeniti od slučaja-po-od slučaja. U nižim-područjima doze CVCS-izmjenjivača topline spuštenog, grijanje nadoknade borne kiseline-PTFE pruža i otpornost na kamenac i adekvatnu toleranciju na zračenje. Odabir materijala određen je specifičnom brzinom doze na lokaciji instalacije.
Očuvanje hemijske čistoće
Hemija nuklearnog rashladnog sredstva je strogo kontrolisana. Metalni izmjenjivači topline oslobađaju tragove metalnih jona-gvožđa, hroma, nikla-u rashladnu tečnost. Ovi metali se aktiviraju u fluksu neutrona, postajući radioaktivni proizvodi korozije. Oni se talože u jezgri reaktora, stvarajući žarišta radijacije. PTFE ne oslobađa metalne jone. Rashladno sredstvo ostaje bez aktiviranih produkata korozije -izmjenjivača-. Stopa doze u postrojenju je shodno tome niža.
Rezime
PTFE izmjenjivači topline otporni su na boratni kamenac u grijanju nuklearnog primarnog rashladnog sredstva kroz ne-nevezujuću površinu koja sprječava adheziju kristala borne kiseline. Odsustvo oslobađanja metalnih jona smanjuje stvaranje aktiviranog produkta korozije-što je značajna prednost za upravljanje zračenjem nuklearnog postrojenja. Tolerancija na zračenje ograničava PTFE na dijelove sa nižim-dozama rashladnog sistema, gdje pruža i otpornost kamenca i prihvatljiv vijek trajanja. Za CVCS aplikacije u odgovarajućem rasponu doza, PTFE nudi operativne i radiološke prednosti.
Inženjerska podrška za specifikaciju nuklearnog PTFE izmjenjivača topline dostupna je nakon podnošenja koncentracije bora, hemije rashladnog sredstva, brzine doze zračenja i trenutnih procedura upravljanja skalom.
