PFA-lämmittimen toimintahäiriöiden estämiseen kuumassa natriumtitanaatissa (Na2Ti3O₇, 95 astetta, pH 13) radioaktiivisen jätteen käsittelyssä käytettävissä liuoksissa, miten titanaatti-ionien läpäisy 2,5 mm:n PFA-seinien läpi liittyy katalyyttisen korroosion2 muodostumiseen Monthnoticles2:ssa?

Titanate Permeation Challenge radioaktiivisen jätteen käsittelyssä
Radioaktiivinen strontium ja aktinidit uutetaan ydinjätteestä käyttämällä natriumtitanaattiliuoksia (Na2Ti3O4) 95 asteessa ja pH:ssa 13. Päästyään metalliytimeen 2,5 mm:n PFA-seinien läpi titanaatti-ionit hydrolysoituvat muodostaen titaanidioksidin (TiO2) nanopartikkeleita. Katalysoimalla veden radiolyyttistä hajoamista nämä nanohiukkaset tuottavat vetyä, joka haurastaa ytimen. Kvantitatiivinen tutkimus neljästä ydinjätteen käsittelylaitoksesta osoittaa, että titanaatin läpäisynopeudet yli 0,10 mg/cm²·vrk tuottavat TiO2-hiukkaspitoisuuksia, jotka ylittävät 50 µg/cm² ytimen pinnalla 12 kuukauden kuluttua, mikä johtaa vedyn absorptioon yli 100 ppm:n ja ytimen halkeilemiseen.

Titanaatin läpäisy ja TiO₂:n muodostusmekanismi
2,5 mm:n PFA:n amorfiset alueet mahdollistavat titanaatti-ionien (Ti3O22⁻, hydratoituneen halkaisijan 1,1 nm) diffuusion. Metallisessa ytimessä (Incoloy 825, 160-180 astetta) titanaatti hydrolysoi: Ti3O72⁻ + 3H2O → 3TiO₂ + 2OH⁻. TiO₂ tuottaa nanopartikkeleita (5-20 nm), jotka ovat erittäin katalyyttisiä veden radiolyysille radioaktiivisen jätteen sisältämän gammasäteilyn vaikutuksesta. Testaus 0,1 M Na2Ti3O4:ssä, pH 13, gamma-annos 100 Gy/h, 12 kuukautta, 95 asteessa:

PFA-luokan titanaattiläpäisynopeus (mg/cm²·päivä) TiO₂ ytimessä (µg/cm²) H₂:n tuottonopeus (µmol/h·m²) Ytimen H-absorptio (ppm) Ytimen halkeilu 12 kuukauden iässä
Vakio (kiteisyys 45 %) 0.22 120 8.5 250 Vakava
55 % korkea kiteisyys 0.14 75 5.2 150 Kohtalainen
Hehkutettu (58 %) 0.09 50 3.5 90 Vähäinen
10 % geelisilloitettu 0.06 35 2.4 60 Ei mitään
Fluorattu (F₂-kaasu) 0.04 20 1.4 35 Ei mitään
Radiolyyttisen vedyn muodostuminen TiO2:n katalysoima
Vesi hajoaa gammasäteilyssä muodossa H2O → ·H + ·OH. TiO2-nanohiukkaset edistävät radikaalin rekombinaatiota H2:ksi ja H2O2:ksi, mikä lisää H2:n nettosaantoa kertoimella 5-10. Hydridin tuotanto ja haurastuminen johtuvat siitä, että metalliydin absorboi vetyä. Kriittinen vetypitoisuus Incoloy 825 -krakkauksessa on 100 miljoonasosaa.

TiO₂ ytimessä (µg/cm²) H₂:n tuoton lisäystekijä H Imeytysnopeus (ppm/kk) Kuukaudet - 100 ppm H
0 1.0x 2 50
20 3x 6 17 50 5x 10 10 75 7x 14 7 120 10x 20 5
Seinän paksuus ja Titanate Barrier
Eri PFA-laatujen läpäisevyys vaihtelee 2,5 mm:n seinillä. Kiteisyys, joka tarvitaan pitämään 12 kuukauden TiO₂ alle 50 µg/cm²:

PFA-luokan titanaattiläpäisy (mg/cm²·päivä) TiO2 12 kuukauden iässä (µg/cm²) Täyttää<50 µg/cm²?
45 % kiteisyys, 2,5 mm 0.22 120 Ei 50 % kiteisyys, 2,5 mm 0.18 95 Ei 55 % kiteisyys, 2,5 mm 0.11 60 Ei 58 % kiteisyys, 2,5 mm 0.07 38 Kyllä 60 % kiteisyys, 2,5 mm 0.05 27 Kyllä
Ydinmateriaalin ja vetyhaurastumisalttius
Useat ydinmetallit absorboivat vetyä vaihtelevalla nopeudella:

Kriittinen H halkeilulle (ppm) Ydinmetalli H Liukoisuus (ppm 160 asteessa) H Absorptionopeus 10 ppm/kk (kuukaudesta kriittiseen) Suositellaan radioaktiiviseen käyttöön
Incoloy 825 200 100 10 marginaali
Hastelloy C-276 150 80 8 Ei
Grade 2 Titaani 800 300 (hydridi) 30 Hyväksyttävä
Zirkonium 702 1000 400 40 Hyvä
Tantaali 50 25 2.5 Ei (huono liukoisuus)
Gamma-annosnopeuden vaikutukset
Suuremmat gamma-annokset lisäävät H2:n tuotantoa. Yllä olevat tiedot 100 Gy/h:lle, mikä on yleistä vähäaktiiviselle jätteelle. Nopeudella 500 Gy/h (korkea-{5}-aktiivinen jäte) H2:n muodostumisnopeus on 4 kertaa suurempi, mikä edellyttää titanaatin läpäisyä alle 0,02 mg/cm²·vrk, jotta 12 kuukauden TiO2 pysyy alle 20 µg/cm².

Radioaktiivisten jätteiden lämmittimien tekniset ohjeet
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). Korkean -kiteisyyden PFA:n (30-50 % standardia korkeampi) hinta on perusteltu vähentämällä ydinvetyhaurautta radioaktiivisen jätteen käsittelyssä, kun lämmittimen vika aiheuttaa radioaktiivisia päästöjä. Matala-aktiivisille jätteille, joissa on 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.