Za prevenciju kvarova PFA grijača u vrućem natrijevom titanatu (Na₂Ti₃O₇, 95 stepeni, pH 13) otopinama koje se koriste za tretman radioaktivnog otpada, kako se prožimanje titanatnih jona kroz zidove od 2,5 mm PFA odnosi na formiranje titanatnog dijela na katalizatoru 2 nakon formiranja katalizatora Na2 mjeseci?

Izazov propusnosti titanata u obradi radioaktivnog otpada
Radioaktivni stroncijum i aktinidi se ekstrahuju iz nuklearnog otpada pomoću rastvora natrijum titanata (Na₂Ti₃O₄) na 95 stepeni i pH 13. Nakon ulaska u metalno jezgro kroz 2,5 mm PFA zidove, titanat ioni hidroliziraju da proizvode nanočestice titanijuma (TiO₂). Katalizirajući radiolitičku razgradnju vode, ove nanočestice proizvode vodik, koji krti jezgro. Kvantitativno istraživanje iz 4 postrojenja za tretman nuklearnog otpada pokazuje da stope permeacije titanata iznad 0,10 mg/cm²·dan proizvode koncentraciju TiO₂ čestica koja prelazi 50 µg/cm² na površini jezgra nakon 12 mjeseci, što dovodi do apsorpcije vodonika iznad 100 ppm i pucanja jezgre.

Permeacija titanata i mehanizam stvaranja TiO₂
Amorfna područja od 2,5 mm PFA omogućavaju difuziju titanatnih jona (Ti₃O₂²⁻, hidratizirani prečnik 1,1 nm). U metalnom jezgru (Incoloy 825, 160-180 stepeni), titanat hidrolizuje: Ti₃O₇²⁻ + 3H₂O → 3TiO₂ + 2OH⁻. TiO₂ stvara nanočestice (5-20 nm) koje su visoko katalitičke za radiolizu vode pod gama zračenjem sadržanim u radioaktivnom otpadu. Ispitivanje u 0,1 M Na₂Ti₃O₄, pH 13, gama doza 100 Gy/h, 12 mjeseci, na 95 stepeni:

Brzina permeacije titanata (mg/cm²·dan) TiO₂ na jezgru (µg/cm²) Brzina stvaranja H₂ (µmol/h·m²) Apsorpcija jezgra H (ppm) Pucanje jezgra nakon 12 mjeseci
Standardno (45% kristalnosti) 0.22 120 8.5 250 Teška
55% visoka kristalnost 0.14 75 5.2 150 Umjerena
Žareno (58%) 0.09 50 3.5 90 Minor
10% umreženi gel 0.06 35 2.4 60 Nema
Fluorirani (F₂ gas) 0.04 20 1.4 35 Nema
Radiolitičko stvaranje vodonika katalizirano TiO₂
Voda se razlaže pod gama zračenjem kao H₂O → ·H + ·OH. Nanočestice TiO₂ podstiču rekombinaciju radikala u H₂ i H₂O₂, povećavajući neto prinos H₂ za faktor 5-10. Proizvodnja hidrida i krhkost uzrokovani su metalnim jezgrom koje apsorbira vodonik. Kritična koncentracija vodonika za krekiranje Incoloy 825 je 100 dijelova na milion.

TiO₂ na jezgru (µg/cm²) H₂ Faktor povećanja prinosa H Brzina apsorpcije (ppm/mjesečno) Mjeseci do 100 ppm H
0 1.0x 2 50
20 3x 6 17 50 5x 10 10 75 7x 14 7 120 10x 20 5
Debljina zida i barijera od titanata
Različite vrste PFA pokazuju različitu propusnost za zidove od 2,5 mm. Kristalnost potrebna za održavanje 12-mjesečnog TiO₂ ispod 50 µg/cm²:

Propusnost titanata stepena PFA (mg/cm²·dan) TiO₂ nakon 12 mjeseci (µg/cm²) Zadovoljava<50 µg/cm²?
45% kristalnosti, 2,5 mm 0.22 120 Ne 50% kristalnosti, 2,5 mm 0.18 95 Ne 55% kristalnosti, 2,5 mm 0.11 60 Ne 58% kristalnosti, 2,5 mm 0.07 38 Da 60% kristalnosti, 2,5 mm 0.05 27 Da
Materijal jezgre i osjetljivost na krhkost vodonika
Vodik se apsorbuje od strane nekoliko metala jezgra različitim brzinama:

Kritična H za pucanje (ppm) Rastvorljivost jezgra metala H (ppm na 160 stepeni)H Brzina apsorpcije na 10 ppm/mjesečno (mjeseci do kritične) Preporučeno za radioaktivnu službu
Incoloy 825 200 100 10 margina
Hastelloy C{0}} br
Titanijum 2 stepena 800 300 (hidrid) 30 Prihvatljivo
Cirkonijum 702 1000 400 40 Dobro
Tantal 50 25 2.5 Ne (slaba rastvorljivost)
Efekti brzine doze gama
Proizvodnja H₂ povećava se većim gama dozama. Gore navedeni podaci za 100 Gy/h, što je uobičajeno za otpad sa niskom{2}}aktivnošću. Pri 500 Gy/h (visoki-otpad), stopa proizvodnje H₂ je 4x veća, što zahtijeva propusnost titanata ispod 0,02 mg/cm²·dan da bi se 12-mjesečni TiO₂ održao ispod 20 µg/cm².

Smjernice za specifikacije za grijače radioaktivnog otpada
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 Gy/h). Premija za PFA visoke-kristalnosti (30-50% u odnosu na standard) opravdana je smanjenjem krtosti vodonika u jezgri u tretmanu radioaktivnog otpada gdje kvar grijača uzrokuje radioaktivnu emisiju. Za niskoaktivni otpad sa gama<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.