Виклик осадження борату
Реактори з водою під тиском використовують борну кислоту в теплоносії першого контуру для контролю реактивності. Концентрація бору змінюється від 2000 ppm на початку паливного циклу до майже нуля в кінці. Теплообмінники в хімічній системі та системі контролю об'єму обробляють боровану воду при температурах 50-150 градусів. Коли борну воду нагрівають або концентрують, борна кислота може кристалізуватися у вигляді боратної накипу на поверхні теплообміну.
Боратний накип — це не просто проблема теплопередачі-це хімічна проблема реактора. Бор є поглиначем нейтронів. Боратні відкладення на поверхні теплообмінника зміщують місцевий баланс нейтронів, потенційно впливаючи на розподіл потужності реактора. Накип необхідно видаляти шляхом розчинення гарячою водою, що перериває роботу реактора.
Металеві теплообмінники-з нержавіючої сталі, інконель-накопичують боратний накип на поверхні. Накип зв’язується з оксидом металу через взаємодії гідроксильних груп. Розпечена поверхня металу сприяє локальному збільшенню концентрації, що викликає кристалізацію.
PTFE теплообмінники протистоять боратним накипам завдяки інертності поверхні. Фторполімер не має гідроксильних груп для боратного зв'язку. Нижча температура стінки зменшує ефект локальної концентрації. Накип не утворюється.
Механізм кристалізації борної кислоти
Борна кислота (H₃BO₃) розчиняється у воді приблизно 50 г/л при 25 градусах і 100 г/л при 100 градусах. Розчинність збільшується з температурою. Коли борна вода нагрівається на поверхні теплообмінника, борна кислота стає більш розчинною-не менше. Кристалізація відбувається не від підвищення температури, а від збільшення концентрації, коли вода випаровується на гарячій поверхні. Прикордонний шар збагачується борною кислотою понад межу розчинності. На поверхні випадають кристали борної кислоти.
На поверхні металу кристали борної кислоти зв’язуються за допомогою водневих зв’язків: групи B-OH на борній кислоті взаємодіють із групами M-OH на оксиді металу. Зчеплення міцне. Накип зростає через постійне відкладення.
PTFE не має груп M-OH. Борна кислота не знаходить сполучних партнерів. Кристали, які утворюються в прикордонному шарі, залишаються у вигляді частинок у воді і виносяться потоком.
| Параметр боратного масштабу | Нержавіюча сталь | Інконель 600 | PTFE |
|---|---|---|---|
| Поверхневі -OH групи для боратного зв’язку | Так (оксид) | Так (оксид) | Жодного |
| Адгезія борної кислоти (відносна) | 1.0 (базова лінія) | 0.8-1.0 | 0.05-0.1 |
| Метод видалення накипу | Розчинення гарячою водою | Гаряча вода | Змив потоку |
| Нейтронний баланс вплив масштабу | Так (бор у масштабі) | так | Немає (немає масштабу) |
Розгляд радіаційного середовища
Теплоносій першого контуру є радіоактивним-він містить активовані продукти корозії та тритій. Теплообмінник у хімічній системі та системі контролю об’єму працює в радіаційному полі 10²-10⁴ Грей/рік. Стійкість до випромінювання PTFE обмежена-значною механічною деградацією при кумулятивних дозах вище 10⁴-10⁵ Грея. Для секцій із меншою дозою CVCS PTFE забезпечує відповідний термін служби. Для секцій з більшою дозою поблизу корпусу реактора можуть знадобитися металеві теплообмінники, незважаючи на проблему накипу.
Розгляд радіаційного випромінювання слід оцінювати в-кожному-кожному випадку. У нижчих{3}}областях CVCS-розрядного теплообмінника нагрівання підживлення борною кислотою-PTFE забезпечує як стійкість до накипу, так і відповідну радіаційну стійкість. Вибір матеріалу визначається конкретною потужністю дози в місці установки.
Збереження чистоти хімії
Хімічний склад ядерного охолоджувача суворо контролюється. Металеві теплообмінники виділяють мікроіони металів-заліза, хрому, нікелю-в охолоджувач. Ці метали активуються в потоці нейтронів, стаючи радіоактивними продуктами корозії. Вони осідають в активній зоні реактора, створюючи радіаційні гарячі точки. PTFE не виділяє іонів металів. Охолоджувач залишається вільним від-теплообмінника-активованих продуктів корозії. Потужність дози в установці відповідно менша.
Резюме
Теплообмінники з ПТФЕ стійкі до накипу борату під час нагрівання теплоносія первинної ланки ядерного теплоносія через не-склеювальну поверхню, яка запобігає адгезії кристалів борної кислоти. Відсутність вивільнення іонів металу зменшує утворення активованих продуктів корозії-, що є значною перевагою для управління радіацією на атомній станції. Стійкість до радіації обмежує PTFE секціями з нижчою-дозою системи охолодження, де він забезпечує стійкість до накипу та прийнятний термін служби. Для застосувань CVCS у відповідному діапазоні доз PTFE пропонує експлуатаційні та радіологічні переваги.
Технічна підтримка специфікації ядерного теплообмінника з ПТФЕ доступна після надання концентрації бору, хімічного складу охолоджуючої рідини, потужності дози випромінювання та поточних процедур управління накипом.
