چالش نفوذ لیتیوم در سیستم های خنک کننده هسته ای
هیدروکسید لیتیوم (7٪ LiOH، pH 12.5) در 120 درجه برای کنترل خوردگی در حلقه های خنک کننده اولیه راکتور آب تحت فشار استفاده می شود. یونهای لیتیومی که در بخاریهای PFA نفوذ میکنند، میتوانند باعث ایجاد ترک خوردگی استرس در هسته فلزی زیرین شوند. تجزیه و تحلیل کمی از 6 تأسیسات هستهای نشان میدهد که PFA باکره نفوذ لیتیوم 0.08 میلیگرم بر سانتیمتر مربع · روز پس از 10000 ساعت را نشان میدهد، در حالی که PFA پر شده با کربن (15%) به دلیل مسیرهای مربوط به پرکننده، 0.25 میلیگرم بر سانتیمتر مربع در روز را نشان میدهد. PFA با کریستالی{14}بالا برای سرویس هسته ای ترجیح داده می شود.
مکانیسم نفوذ لیتیوم و ICP{0}}تشخیص MS
Li+ (قطر هیدراته 0.76 نانومتر) از طریق مناطق آمورف PFA منتشر می شود. پرکننده کربن (15 درصد وزنی) رابط های پرکننده پلیمری- را ایجاد می کند که به عنوان مسیرهای انتشار سریع عمل می کند و نفوذ را 3 برابر افزایش می دهد. ICP{6}}محدودیت تشخیص MS برای Li در خنک کننده 0.1ppb است. تست در 120 درجه در 7٪ LiOH، 10000 ساعت:
| درجه PFA | بلورینگی | نرخ نفوذ Li⁺ (mg/cm²·day) | لی در خنک کننده پس از 10000 ساعت (ppb) | خطر خوردگی هسته |
|---|---|---|---|---|
| ویرجین (استاندارد) | 45% | 0.12 | 2.5 | متوسط |
| ویرجین (با خلوص بالا) | 48% | 0.10 | 2.0 | متوسط |
| ویرجین (کریستالینیتی بالا) | 58% | 0.05 | 1.0 | کم |
| کربن-پر شده (5%) | 50% | 0.18 | 3.5 | بالا |
| کربن-پر شده (15%) | 52% | 0.25 | 5.0 | خیلی بالا |
سازگاری Core Metal
هنگامی که Li⁺ به هسته می رسد، می تواند باعث ایجاد ترک خوردگی ناشی از خوردگی استرس هیدروکسید لیتیوم در آلیاژهای خاص شود:
| هسته فلزی | حساسیت LiOH SCC | سازگاری با Li+ Permeated | برای سرویس PWR توصیه می شود |
|---|---|---|---|
| Incoloy 800 | کم | خوب | بله |
| اینکونل 690 | خیلی کم | عالی | بله (ترجیحا) |
| تیتانیوم درجه 2 | هیچ کدام | عالی | بله |
| فولاد ضد زنگ 316 لیتر | بالا | بیچاره | خیر |
تبلور و کاهش نفوذ
افزایش کریستالینیت نفوذ لیتیوم را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. برای سرویس دهی 10000 ساعته، ضخامت دیوار مورد نیاز بر اساس بلورینگی:
| بلورینگی PFA | نرخ نفوذ Li⁺ (mg/cm²·day) | ضخامت دیوار برای 10000 ساعت | لی در خنک کننده در 10000 ساعت (هدف<1 ppb) |
|---|---|---|---|
| 45% | 0.12 | 3.0 میلی متر | 2.5ppb (بیش از حد) |
| 50% | 0.08 | 2.5 میلی متر | 1.6ppb (بیش از حد) |
| 55% | 0.06 | 2.2 میلی متر | 1.2 ppb (حاشیه) |
| 58% | 0.05 | 2.0 میلی متر | 1.0 ppb (قابل قبول) |
| 60% | 0.04 | 1.8 میلی متر | 0.8 ppb (خوب) |
مشکلات پرکننده کربن
PFA پر شده با کربن-برای سرویس LiOH هسته ای توصیه نمی شود به دلیل:
افزایش نفوذ (3 برابر بیشتر)
اکسیداسیون کربن در دمای بالا (تشکیل CO2، تغییر شیمی خنک کننده)
پتانسیل انتشار ذرات کربن (آلوده کننده مایع خنک کننده راکتور)
مشخصات هستهای معمولاً پلیمرهای رسانا یا پرشده از کربن را در حلقههای خنککننده اولیه ممنوع میکند.
اثرات دما و غلظت LiOH
در 120 درجه، نفوذ مانند بالا. در 100 درجه، نفوذ 60٪ کاهش می یابد (0.02 میلی گرم بر سانتی متر مربع · روز برای 58٪ کریستالی). در 140 درجه (شرایط ناراحتی)، نفوذ سه برابر می شود. برای PWR های با کنترل دما، مواد را برای 120 درجه اسمی، با حاشیه برای 130 درجه، مشخص کنید.
راهنمای مشخصات برای خدمات هسته ای
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 دلار در روز. برای راکتورهای تحقیقاتی با کمپین کوتاهتر، PFA استاندارد با دیوارههای 3.0 میلیمتری و آنالیز سالانه لیتیوم ممکن است قابل قبول باشد.
