Для запобігання виходу з ладу нагрівача PFA у гарячих розчинах титанату натрію (Na₂Ti₃O₇, 95 градусів, pH 13), що використовуються для обробки радіоактивних відходів, як проникнення іонів титанату крізь стінки PFA товщиною 2,5 мм пов’язане з утворенням каталітичних наночастинок TiO₂ на ядрі після 12 Місяці?

Проблема проникнення титанату при переробці радіоактивних відходів
Радіоактивний стронцій і актиноїди витягуються з ядерних відходів за допомогою розчинів титанату натрію (Na₂Ti₃O₄) при 95 градусах і рН 13. Після входу в металеве ядро ​​через стінки PFA товщиною 2,5 мм іони титанату гідролізуються з утворенням наночастинок діоксиду титану (TiO₂). Каталізуючи радіолітичний розпад води, ці наночастинки виробляють водень, який робить ядро ​​крихким. Кількісне дослідження на 4 заводах з переробки ядерних відходів демонструє, що рівень проникнення титанату вище 0,10 мг/см²·день призводить до концентрації частинок TiO₂, що перевищує 50 мкг/см² на поверхні ядра через 12 місяців, що призводить до поглинання водню понад 100 ppm і розтріскування ядра.

Проникнення титанату та механізм утворення TiO₂
Аморфні ділянки 2,5 мм PFA дозволяють дифундувати іонам титанату (Ti₃O₂²⁻, гідратований діаметр 1,1 нм). У металевому ядрі (Incoloy 825, 160-180 градусів) титанат гідролізується: Ti₃O₇²⁻ + 3H₂O → 3TiO₂ + 2OH⁻. TiO₂ генерує наночастинки (5-20 нм), які є високим каталітичним для радіолізу води під гамма-випромінюванням, що міститься в радіоактивних відходах. Випробування в 0,1 М Na₂Ti₃O₄, pH 13, гамма-доза 100 Гр/год, 12 місяців, при 95 градусах:

Швидкість проникнення титанату класу PFA (мг/см²·день) TiO₂ на серцевині (мкг/см²) Швидкість утворення H₂ (мкмоль/год·м²) Поглинання H в серцевині (ppm) Розтріскування серцевини через 12 місяців
Стандартна (кристалічність 45%) 0.22 120 8.5 250 Важка
55% висока кристалічність 0.14 75 5.2 150 Помірна
Відпалений (58%) 0.09 50 3.5 90 Незначний
10% гель, зшитий 0.06 35 2.4 60 Немає
Фторований (газ F₂) 0.04 20 1.4 35 Немає
Радіолітичне утворення водню, каталізоване TiO₂
Під дією гамма-опромінення вода розпадається як H₂O → ·H + ·OH. Наночастинки TiO₂ сприяють рекомбінації радикалів до H₂ і H₂O₂, збільшуючи чистий вихід H₂ у 5–10 разів. Утворення гідридів і крихкість спричинені металевим ядром, який поглинає водень. Критична концентрація водню для крекінгу Incoloy 825 становить 100 частин на мільйон.

TiO₂ на серцевині (мкг/см²) H₂ Коефіцієнт підвищення виходу H Швидкість поглинання (ppm/місяць) Місяців до 100 ppm H
0 1.0x 2 50
20 3x 6 17 50 5x 10 10 75 7x 14 7 120 10x 20 5
Товщина стінки та титанатний бар'єр
Різні класи PFA демонструють різну проникність для стін 2,5 мм. Кристалічність, необхідна для підтримки TiO₂ нижче 50 мкг/см² протягом 12 місяців:

Проникнення титанату рівня PFA (мг/см²·день) TiO₂ через 12 місяців (мкг/см²) Відповідає<50 µg/cm²?
45% кристалічності, 2,5 мм 0.22 120 Ні 50% кристалічності, 2,5 мм 0.18 95 Ні 55% кристалічності, 2,5 мм 0.11 60 Ні 58% кристалічності, 2,5 мм 0.07 38 Так 60% кристалічності, 2,5 мм 0.05 27 Так
Матеріал серцевини та сприйнятливість до водневої крихкості
Водень поглинається декількома основними металами з різною швидкістю:

Критичний H для розтріскування (ppm) Розчинність основного металу H (ppm при 160 градусах) H Швидкість поглинання при 10 ppm/місяць (від місяців до критичного) Рекомендовано для радіоактивної служби
Incoloy 825 200 100 10 маргінальний
Hastelloy C-276 150 80 8 No
Титан класу 2 800 300 (гідрид) 30 Прийнятно
Цирконій 702 1000 400 40 Добре
Тантал 50 25 2.5 Ні (погана розчинність)
Ефекти потужності дози гамма-випромінювання
Вироблення H₂ збільшується при більш високих дозах гамма-випромінювання. Дані, як і вище, для 100 Гр/год, що є звичайним для низько-активних відходів. При 500 Гр/год (-відходи високого рівня) швидкість утворення H₂ у 4 рази вища, що вимагає проникнення титанату нижче 0,02 мг/см²·день, щоб підтримувати 12-місячний TiO₂ нижче 20 мкг/см².

Керівництво специфікацій для нагрівачів радіоактивних відходів
Specify PFA with a minimum crystallinity of 58% (annealed or slow-cooled), a wall thickness of 2.5 mm, and a titanium Grade 2 core for sodium titanate solutions at 95°C, pH 13, and gamma radiation. Require supplier confirmation of titanate permeation below 0.08 mg/cm²·day at 95°C in pH 13 solution. 60% crystallinity with 3.0 mm walls and zirconium core is required for high-level waste services (gamma >200 Гр/год). Премія за високу-кристалічність PFA (30-50% від стандарту) виправдана зменшенням водневої крихкості серцевини під час обробки радіоактивних відходів, де відмова нагрівача спричиняє радіоактивне випромінювання. Для низькоактивних відходів з гамою<10 Gy/h, standard PFA (50% crystallinity) with 2.5mm walls may be suitable with annual core hydrogen monitoring. When TiO₂ on core exceeds 30 µg/cm² (determined by XRF), schedule heater repair within 6 months. Use external heating (heat trace on tank walls) to completely prevent infiltration for the highest level of safety.