Säteilyympäristö
Ydinpolttoaineen jälleenkäsittelylaitokset, radioisotooppien tuotantolaitokset ja tietyt lääketieteelliset sterilointitoimenpiteet altistavat prosessilaitteet ionisoivalle säteilylle. Näissä ympäristöissä olevien lämmönvaihtimien on kestettävä typpihapon ja muiden prosessinesteiden kemiallisten haasteiden lisäksi myös gammasäteilyn kumulatiiviset vaikutukset vuosien aikana.
Lämmönvaihtimen absorboitunut kokonaisannos keskiaktiivisessa-ydinlaitoksessa voi olla 10⁵–10⁶ Grey (10-100 MRad) 10- vuoden käyttöiän aikana. Näillä annostasoilla polymeerit läpikäyvät merkittäviä molekyylimuutoksia - ketjun katkeamista tai silloittumista - jotka muuttavat niiden mekaanisia ominaisuuksia.
ETFE:tä (eteeni-tetrafluorieteenikopolymeeriä) harkitaan joskus säteilypalvelussa, koska sen osittain fluoratun rakenteen uskotaan kestävän paremmin säteilyä kuin täysin fluoratun PTFE:n. Tämä uskomus on oikea. Mutta eron suuruus-ja se, onko sillä merkitystä lämmönvaihtimen huoltoon-vaatii tarkastelua.
Säteilykemian ero
Ionisoiva säteily on vuorovaikutuksessa polymeerien kanssa kerrostamalla energiaa pitkin polymeeriketjua. Energia katkaisee kemiallisia sidoksia ja muodostaa vapaita radikaaleja. Näiden radikaalien kohtalo määrittää, hajoaako polymeeri (ketjun katkeaminen) vai vahvistuuko (silloittuminen).
PTFE:ssä säteilyn{0}}indusoidut radikaalit läpikäyvät pääasiassa ketjun katkeamisen. C-C-runko katkeaa. Molekyylipaino pienenee. Lyhennettyjen ketjujen mekaaninen lujuus on heikentynyt. Vaikutus on kumulatiivinen ja peruuttamaton. Annoksella 10⁴ Gy (1 MRad) muutokset ovat mitattavissa, mutta pieni-vetolujuus voi laskea 5-10 %. 105 Gy (10 MRad) lujuushäviö on merkittävä -30-50%. 10⁶ Gy (100 MRad) PTFE:stä tulee hauras ja mekaanisesti hyödytön.
ETFE:ssä eteenin komonomeeriyksiköt (-CH₂-CH₂-) polymeerirungossa muuttavat säteilyvastetta. C-H-sidokset eteeniyksiköissä ovat alttiimpia radikaalien muodostumiselle kuin C-F-sidokset, mutta tuloksena olevilla radikaaleilla on taipumus ristisilloittua ketjun katkeamisen sijaan. Silloitus lisää molekyylipainoa ja voi parantaa tiettyjä mekaanisia ominaisuuksia. ETFE säilyttää hyödylliset mekaaniset ominaisuudet suurempiin säteilyannoksiin kuin PTFE.
| Säteilykestävyysparametri | PTFE | ETFE |
|---|---|---|
| Hallitseva säteilyvaikutus | Ketjun katkeaminen (hajoaminen) | Silloitus (stabilointi) |
| Annos, jolla mitattavissa olevan ominaisuuden muutos alkaa (Gy) | ~10³ (0,1 MRad) | ~10⁴ (1 MRad) |
| Annos 25 %:n vetolujuuden menetykseen (Gy) | ~5 × 10⁴ (5 MRad) | ~5 × 10⁵ (50 MRad) |
| Annos, jolla materiaali muuttuu hauraaksi (Gy) | ~10⁶ (100 MRad) | ~2 × 10⁶ (200 MRad) |
| Käyttöikä 10⁴ Gy/vuosi ympäristössä (vuosia) | 2-5 | 10-20 |
| Säteilytyksen jälkeisen-käsittelyn riski | Korkea (hauras murtuma) | Kohtalainen (säilyttää jonkin verran taipuisuutta) |
Käytännön annosnopeuskonteksti
ETFE:n säteilynkestävyysetu PTFE:hen verrattuna on todellinen, mutta se on asetettava kontekstiin. Suurimmassa osassa ydinlaitosten lämmönvaihdinsovelluksista säteilyannosnopeus lämmönvaihtimen sijainnissa on suhteellisen alhainen-korkean-säteilyvyöhykkeet ovat muualla prosessissa.
Lämmönvaihdin, joka on sijoitettu alueelle, jonka annosnopeus on 10²-10³ Gy/vuosi, kerää vain 10³-10⁴ Gy 10 vuoden käyttöiän aikana. Näillä annoksilla sekä PTFE että ETFE säilyttävät mekaaniset ominaisuutensa riittävästi. Säteilyerolla näiden kahden materiaalin välillä ei ole merkitystä.
Korkean-säteilyn paikoissa, joissa laitteiden käyttöiän aikana kertynyt annos lähestyy tai ylittää 10⁵ Gy, valinta PTFE:n ja ETFE:n välillä tulee merkittäväksi. ETFE säilyttää mekaanisen eheyden pidempään. Kuitenkin jopa ETFE hajoaa lopulta. Laitteiden vaihto on suunniteltava ennustetun annoksen kertymisen perusteella materiaalivalinnasta riippumatta.
Kemikaalinkestopäällyste
Säteilykestävyys ei ole olemassa erikseen. Lämmönvaihdinmateriaalin tulee myös kestää prosessikemiaa. Ydinpolttoaineen jälleenkäsittelyssä tämä kemia on tyypillisesti kiehuvaa typpihappoa. PTFE kestää ehdottoman typpihappoa. ETFE:llä on hyvä, mutta ei ehdoton kestävyys-voimakkaat hapettavat hapot voivat hyökätä siihen korkeissa lämpötiloissa.
Materiaalin valintapäätöksessä on punnittava ETFE:n ylivoimaista säteilynkestävyyttä PTFE:n ylivoimaiseen kemialliseen kestävyyteen. Useimmissa ydinsovelluksissa prosessikemia (joka hyökkää jatkuvasti) aiheuttaa suuremman riskin kuin säteilykenttä (joka hajoaa kumulatiivisesti). Tästä syystä PTFE on yleisin valinta.
Yhteenveto
ETFE-lämmönvaihtimet kestävät paremmin gammasäteilyä kuin PTFE, ja ne säilyttävät mekaaniset ominaisuudet noin 5-10 kertaa suuremmissa annoksissa. Useimmissa ydinlaitosten lämmönsiirtimien paikoissa säteilyannosnopeus on kuitenkin riittävän pieni, jotta molemmat materiaalit selviävät laitteen suunnitellun käyttöiän ajan. PTFE:n ylivoimainen kemiallinen kestävyys typpihappoa ja muita ydinprosessikemikaaleja kohtaan tekee siitä usein parhaan vaihtoehdon ETFE:n säteilyedusta huolimatta. Lopullinen valinta riippuu tietystä annosnopeudesta, prosessikemiasta ja laitteiden vaihtosuunnittelusta.
Teknistä tukea säteilyympäristön materiaalien valinnassa on saatavilla, kun odotettu annosnopeus, prosessinesteen koostumus, käyttölämpötila ja vaadittu laitteiden käyttöikä on toimitettu.
