Радиационна среда
Инсталациите за преработка на ядрено гориво, заводите за производство на радиоизотопи и някои операции по медицинска стерилизация излагат технологичното оборудване на йонизиращо лъчение. Топлообменниците в тези среди трябва да издържат не само на химическите предизвикателства на азотната киселина и други технологични флуиди, но също така и на кумулативните ефекти на гама лъчение през годините на експлоатация.
Общата погълната доза за топлообменник в ядрено съоръжение със средна-активност може да достигне 10⁵ до 10⁶ Грей (10-100 MRad) за 10-годишен експлоатационен живот. При тези нива на дозиране полимерите претърпяват значителни молекулни промени - разкъсване на веригата или омрежване - които променят техните механични свойства.
ETFE (етилен-тетрафлуороетилен съполимер) понякога се разглежда като радиационна услуга, тъй като се смята, че неговата частично флуорирана структура предлага по-добра устойчивост на радиация от напълно флуорирания PTFE. Това вярване е правилно. Но мащабът на разликата-и дали има значение за обслужването на топлообменника-изисква проверка.
Разликата в радиационната химия
Йонизиращото лъчение взаимодейства с полимерите чрез отлагане на енергия по полимерната верига. Енергията разрушава химичните връзки, създавайки свободни радикали. Съдбата на тези радикали определя дали полимерът се разгражда (разкъсване на веригата) или укрепва (омрежване).
В PTFE радикалите,-предизвикани от радиация, претърпяват предимно разкъсване на веригата. C-C гръбнакът се счупва. Молекулното тегло намалява. Скъсените вериги имат намалена механична якост. Ефектът е кумулативен и необратим. При доза от 10⁴ Gy (1 MRad) промените са измерими, но малката -якост на опън може да спадне с 5-10%. При 10⁵ Gy (10 MRad), загубата на сила е значителна - 30-50%. При 10⁶ Gy (100 MRad), PTFE става чуплив и механично безполезен.
В ETFE етиленовите комономерни единици (-CH₂-CH₂-) в полимерния скелет променят отговора на радиацията. C-H връзките в етиленовите единици са по-податливи на образуване на радикали, отколкото C-F връзките, но получените радикали са склонни да се омрежват, вместо да претърпят разкъсване на веригата. Омрежването увеличава молекулното тегло и може да подобри определени механични свойства. ETFE запазва полезни механични свойства при по-високи дози радиация от PTFE.
| Параметър на радиационна устойчивост | PTFE | ETFE |
|---|---|---|
| Доминиращ радиационен ефект | Разкъсване на веригата (деградация) | Омрежване (стабилизиране) |
| Доза, при която започва измерима промяна на свойствата (Gy) | ~10³ (0,1 Mrad) | ~10⁴ (1 Mrad) |
| Доза за 25% загуба на якост на опън (Gy) | ~5 × 10⁴ (5 MRad) | ~5 × 10⁵ (50 MRad) |
| Доза, при която материалът става крехък (Gy) | ~10⁶ (100 MRad) | ~2 × 10⁶ (200 MRad) |
| Експлоатационен живот при 10⁴ Gy/година среда (години) | 2-5 | 10-20 |
| Риск след-облъчване | Висока (крехка фрактура) | Умерен (запазва известна пластичност) |
Практическият контекст на мощността на дозата
Предимството на радиационната устойчивост на ETFE пред PTFE е реално, но трябва да се постави в контекст. В по-голямата част от приложенията за топлообменник на ядрени съоръжения мощността на дозата на радиация в местоположението на топлообменника е сравнително ниска-зоните с висока-радиация са другаде в процеса.
Топлообменник, разположен в зона с мощност на дозата от 10²-10³ Gy/година, ще натрупа само 10³-10⁴ Gy за 10-годишен експлоатационен живот. При тези дози както PTFE, така и ETFE запазват адекватно механичните си свойства. Разликата в радиацията между двата материала е без значение.
В места с висока -радиация, където натрупаната доза през живота на оборудването се доближава или надвишава 10⁵ Gy, изборът между PTFE и ETFE става важен. ETFE ще запази механичната цялост по-дълго. Въпреки това, дори ETFE в крайна сметка ще се разгради. Подмяната на оборудването трябва да се планира въз основа на прогнозираното натрупване на доза, независимо от избора на материал.
Наслагване за химическа устойчивост
Радиационната устойчивост не съществува изолирано. Материалът на топлообменника също трябва да е устойчив на химията на процеса. При преработката на ядрено гориво тази химия обикновено е кипяща азотна киселина. PTFE е безусловно устойчив на азотна киселина. ETFE има добра, но не безусловна устойчивост-може да бъде атакуван от силни окислителни киселини при повишени температури.
Решението за избор на материал трябва да прецени превъзходната радиационна устойчивост на ETFE спрямо превъзходната химическа устойчивост на PTFE. В повечето ядрени приложения химическият процес (който атакува непрекъснато) представлява по-голям риск от радиационното поле (което се разгражда кумулативно). PTFE е по-честият избор поради тази причина.
Резюме
ETFE топлообменниците предлагат по-добра устойчивост на гама радиация от PTFE, запазвайки механичните свойства до дози приблизително 5-10 пъти по-високи. Въпреки това, в повечето места за топлообменници на ядрени съоръжения, мощността на дозата на радиация е достатъчно ниска, така че и двата материала да оцелеят през планирания експлоатационен живот на оборудването. Превъзходната химическа устойчивост на PTFE към азотна киселина и други химикали за ядрени процеси често го прави предпочитан избор въпреки радиационното предимство на ETFE. Окончателният избор зависи от конкретната мощност на дозата, химията на процеса и планирането на подмяната на оборудването.
Инженерна поддръжка за избор на материал за радиационна среда е достъпна при подаване на очакваната мощност на дозата, състава на технологичния флуид, работната температура и необходимия експлоатационен живот на оборудването.
