De uitdaging van de boraatafzetting
Drukwaterreactoren gebruiken boorzuur in het primaire koelmiddel voor controle van de reactiviteit. De boorconcentratie varieert van 2.000 ppm aan het begin van de brandstofcyclus tot bijna nul aan het einde. De warmtewisselaars in het chemicaliën- en volumecontrolesysteem verwerken het boraatwater bij temperaturen van 50-150 graden. Wanneer het boraatwater wordt verwarmd of geconcentreerd, kan boorzuur kristalliseren als boraataanslag op het warmtewisselingsoppervlak.
Boraataanslag is niet alleen een probleem van warmteoverdracht-het is een reactorchemieprobleem. Borium is een neutronenabsorbeerder. Boraatafzettingen op het oppervlak van de warmtewisselaar verschuiven de lokale neutronenbalans, wat mogelijk de vermogensverdeling van de reactor beïnvloedt. De aanslag moet worden verwijderd door het oplossen van heet water, waardoor de reactoractiviteiten worden onderbroken.
Metalen warmtewisselaars-roestvrij staal, inconel-accumuleren boraataanslag op het oppervlak. De aanslag hecht zich aan het metaaloxide via interacties met hydroxylgroepen. Het hete metaaloppervlak zorgt voor de lokale concentratiestijging die kristallisatie veroorzaakt.
PTFE-warmtewisselaars zijn bestand tegen boraataanslag door inertie van het oppervlak. Het fluorpolymeer heeft geen hydroxylgroepen voor boraatbinding. De lagere wandtemperatuur vermindert het lokale concentratie-effect. De schaal vormt zich niet.
Het boorzuurkristallisatiemechanisme
Boorzuur (H₃BO₃) is oplosbaar in water met een hoeveelheid van ongeveer 50 g/l bij 25 graden en 100 g/l bij 100 graden. De oplosbaarheid neemt toe met de temperatuur. Wanneer het boraatwater aan het oppervlak van de warmtewisselaar wordt verwarmd, wordt het boorzuur beter oplosbaar- en niet minder. Kristallisatie vindt niet plaats door de temperatuurstijging, maar door de concentratiestijging wanneer water aan het hete oppervlak verdampt. De grenslaag raakt verrijkt aan boorzuur tot voorbij de oplosbaarheidslimiet. Boorzuurkristallen slaan neer op het oppervlak.
Op een metaaloppervlak binden de boorzuurkristallen zich via waterstofbinding: B-OH-groepen op het boorzuur gaan een interactie aan met M-OH-groepen op het metaaloxide. De binding is sterk. De schaal groeit door voortdurende afzetting.
PTFE heeft geen M-OH-groepen. Het boorzuur vindt geen bindingspartners. De kristallen die zich in de grenslaag vormen, blijven als deeltjes in het water achter en worden door de stroming meegevoerd.
| Boraatschaalparameter | Roestvrij staal | Inconel 600 | PTFE |
|---|---|---|---|
| Oppervlakte -OH-groepen voor boraatbinding | Ja (oxide) | Ja (oxide) | Geen |
| Adhesie van boorzuuraanslag (relatief) | 1,0 (basislijn) | 0.8-1.0 | 0.05-0.1 |
| Methode voor het verwijderen van kalkaanslag | Oplossen in heet water | Heet water | Stroom doorspoelen |
| Neutronenbalans impact van schaal | Ja (borium in schaal) | Ja | Geen (geen schaal) |
De stralingsomgevingsoverweging
Het primaire koelmiddel is radioactief-het bevat geactiveerde corrosieproducten en tritium. De warmtewisselaar in het chemische en volumecontrolesysteem werkt in een stralingsveld van 10²-10⁴ Gray/jaar. De stralingstolerantie van PTFE is beperkt-significante mechanische degradatie bij cumulatieve doses boven 10⁴-10⁵ Gray. Voor de lagere dosissecties van de CVCS biedt PTFE een adequate levensduur. Voor de secties met hogere doses nabij het reactorvat kunnen ondanks het schaalprobleem metalen wisselaars nodig zijn.
De stralingsoverweging moet geval-per-geval worden beoordeeld. In de lagere-dosisgebieden van de CVCS-de aflaatwarmtewisselaar, biedt de boorzuursuppletieverwarming-PTFE zowel weerstand tegen aanslag als voldoende stralingstolerantie. De materiaalkeuze wordt bepaald door het specifieke dosistempo op de installatielocatie.
Het behoud van de zuiverheid van de chemie
De chemie van nucleaire koelmiddelen wordt streng gecontroleerd. Metaalwarmtewisselaars geven sporen van metaalionen-ijzer, chroom, nikkel- af aan de koelvloeistof. Deze metalen worden geactiveerd in de neutronenstroom en worden radioactieve corrosieproducten. Ze slaan neer in de reactorkern, waardoor stralingshotspots ontstaan. PTFE geeft geen metaalionen af. Het koelmiddel blijft vrij van door de warmtewisselaar-geactiveerde corrosieproducten. Het dosistempo in de plant is dienovereenkomstig lager.
Samenvatting
PTFE-warmtewisselaars zijn bestand tegen boraataanslag in de verwarming van het primaire koelmiddel door een niet-hechtoppervlak dat de adhesie van boorzuurkristallen voorkomt. De afwezigheid van het vrijkomen van metaalionen vermindert de vorming van geactiveerde corrosieproducten-een aanzienlijk voordeel voor het stralingsbeheer van kerncentrales. Stralingstolerantie beperkt PTFE tot de delen met lagere-dosis van het koelsysteem, waar het zowel weerstand tegen kalkaanslag als een aanvaardbare levensduur biedt. Voor CVCS-toepassingen in het juiste dosisbereik biedt PTFE operationele en radiologische voordelen.
Technische ondersteuning voor de specificatie van nucleaire PTFE-warmtewisselaars is beschikbaar na indiening van de boorconcentratie, de koelvloeistofchemie, het stralingsdosistempo en de huidige schaalbeheerprocedures.
