Предизвикателството при проникване на литий в ядрени охлаждащи системи
Литиев хидроксид (7% LiOH, рН 12,5) при 120 градуса се използва за контрол на корозията в първичните контури на охлаждащата течност на реактора с вода под налягане. Литиевите йони, проникващи в PFA нагреватели, могат да причинят корозионно напукване на подлежащата метална сърцевина. Количественият анализ от 6 ядрени съоръжения показва, че необработеният PFA проявява литиева проницаемост от 0,08 mg/cm²·ден след 10 000 часа, докато въглерод-напълненият PFA (15%) показва 0,25 mg/cm²·ден поради пътеки, свързани с пълнителя-. PFA с висока-кристалност се предпочита за ядрени услуги.
Механизъм за проникване на литий и ICP-MS откриване
Li⁺ (хидратиран диаметър 0,76 nm) дифундира през аморфни области на PFA. Въглеродният пълнител (15 wt%) създава интерфейси на полимер-пълнеж, които действат като пътища за бърза дифузия, увеличавайки проникването 3 пъти. Границите на откриване на ICP-MS за Li в охлаждащата течност са 0,1 ppb. Тестване при 120 градуса в 7% LiOH, 10 000 часа:
| PFA степен | Кристалност | Скорост на проникване на Li⁺ (mg/cm²·ден) | Li в охлаждащата течност след 10 000 часа (ppb) | Риск от корозия на ядрото |
|---|---|---|---|---|
| Virgin (стандартен) | 45% | 0.12 | 2.5 | Умерен |
| Virgin (висока чистота) | 48% | 0.10 | 2.0 | Умерен |
| Virgin (висока кристалност) | 58% | 0.05 | 1.0 | ниско |
| Пълен-въглерод (5%) | 50% | 0.18 | 3.5 | високо |
| Пълен-въглен (15%) | 52% | 0.25 | 5.0 | Много високо |
Съвместимост на основния метал
След като Li⁺ достигне сърцевината, той може да причини корозионно напукване от литиев хидроксид в някои сплави:
| Основен метал | LiOH SCC Чувствителност | Съвместимост с проникнал Li⁺ | Препоръчва се за PWR Service |
|---|---|---|---|
| Инколой 800 | ниско | добре | да |
| Инконел 690 | Много ниско | Отлично | Да (за предпочитане) |
| Титан клас 2 | Няма | Отлично | да |
| Неръждаема стомана 316L | високо | беден | не |
Намаляване на кристалността и проникването
Повишаването на кристалността значително намалява проникването на литий. За 10 000-часово обслужване необходимата дебелина на стената въз основа на кристалността:
| PFA кристалност | Скорост на проникване на Li⁺ (mg/cm²·ден) | Дебелина на стената за 10 000h | Li в охлаждаща течност при 10 000h (цел<1 ppb) |
|---|---|---|---|
| 45% | 0.12 | 3,0 мм | 2,5 ppb (превишава) |
| 50% | 0.08 | 2,5 мм | 1,6 ppb (превишава) |
| 55% | 0.06 | 2,2 мм | 1,2 ppb (незначителна) |
| 58% | 0.05 | 2,0 мм | 1,0 ppb (приемливо) |
| 60% | 0.04 | 1,8 мм | 0,8 ppb (добър) |
Проблеми с въглеродния пълнител
Напълнен-въглерод PFA не се препоръчва за ядрени LiOH услуги поради:
Повишено проникване (3 пъти по-високо)
Въглеродно окисляване при висока температура (образува CO₂, променя химията на охлаждащата течност)
Потенциал за освобождаване на въглеродни частици (замърсяващ охладител на реактора)
Ядрените спецификации обикновено забраняват проводими или пълни с въглерод -полимери в първичните контури на охлаждащата течност.
Ефекти на температурата и концентрацията на LiOH
При 120 градуса, проникване както по-горе. При 100 градуса проникването намалява с 60% (0,02 mg/cm²·ден за 58% кристалност). При 140 градуса (разстроено състояние), проникването се утроява. За PWR с контрол на температурата, посочете материали за номинални 120 градуса, с марж за 130 градуса отклонения.
Ръководство за спецификация за ядрена услуга
For 7% LiOH at 120°C in PWR primary coolant, specify virgin high-crystallinity PFA (58% minimum by DSC) with Inconel 690 core. Require wall thickness of 2.0mm minimum. Prohibit carbon-filled or conductive grades. Require supplier certification of lithium permeation testing at 120°C for 5000 hours (extrapolated to 10,000 hours). For continuous nuclear operation (18-month fuel cycles, 13,000 hours), specify 2.5mm walls with 60% crystallinity. The premium for high-crystallinity virgin PFA (25-35% over standard) is justified by maintaining coolant purity and preventing core corrosion in nuclear service where heater failure requires reactor shutdown costing >$1 000 000 на ден. За изследователски реактори с по-кратки кампании може да се приеме стандартен PFA с 3,0 mm стени и годишен литиев анализ.
