Za preprečevanje okvar grelnika PFA v vročih raztopinah natrijevega titanata (Na₂Ti₃O₇, 95 stopinj, pH 13), ki se uporabljajo za obdelavo radioaktivnih odpadkov, kako je pronicanje titanatnih ionov skozi 2,5 mm stene PFA povezano s tvorbo katalitičnih nanodelcev TiO₂ na jedru po 12 meseci?

Izziv prepustnosti titanata pri predelavi radioaktivnih odpadkov
Radioaktivni stroncij in aktinidi se iz jedrskih odpadkov ekstrahirajo z raztopinami natrijevega titanata (Na₂Ti₃O₄) pri 95 stopinjah in pH 13. Po vstopu v kovinsko jedro skozi stene 2,5 mm PFA se ioni titanata hidrolizirajo, da proizvedejo nanodelce titanovega dioksida (TiO₂). S kataliziranjem radiolitske razgradnje vode ti nanodelci proizvajajo vodik, ki jedro postane krhko. Kvantitativna preiskava iz 4 obratov za obdelavo jedrskih odpadkov kaže, da stopnje prepustnosti titanata nad 0,10 mg/cm²·dan povzročijo koncentracije delcev TiO₂, ki presegajo 50 µg/cm² na površini jedra po 12 mesecih, kar vodi do absorpcije vodika nad 100 ppm in razpokanja jedra.

Prepustnost titanata in mehanizem tvorbe TiO₂
Amorfna območja 2,5 mm PFA omogočajo difuzijo titanatnih ionov (Ti₃O₂²⁻, hidriran premer 1,1 nm). V kovinskem jedru (Incoloy 825, 160-180 stopinj) titanat hidrolizira: Ti₃O₇²⁻ + 3H₂O → 3TiO₂ + 2OH⁻. TiO₂ ustvarja nanodelce (5–20 nm), ki so zelo katalitični za radiolizo vode pod sevanjem gama, ki ga vsebujejo radioaktivni odpadki. Testiranje v 0,1 M Na₂Ti₃O₄, pH 13, doza gama 100 Gy/h, 12 mesecev, pri 95 stopinjah:

Stopnja prepustnosti titanata stopnje PFA (mg/cm²·dan) TiO₂ na jedru (µg/cm²) Stopnja generiranja H₂ (µmol/h·m²) Absorpcija H v jedru (ppm) Razpoke jedra po 12 mesecih
Standardna (45 % kristaliničnost) 0.22 120 8.5 250 Huda
55 % visoka kristaliničnost 0.14 75 5.2 150 Zmerna
Žarjeno (58 %) 0.09 50 3.5 90 Manj
10 % zamrežen gel 0.06 35 2.4 60 Brez
Fluoriran (plin F₂) 0.04 20 1.4 35 Brez
Radiolitsko nastajanje vodika, ki ga katalizira TiO₂
Voda pod sevanjem gama razpade kot H₂O → ·H + ·OH. Nanodelci TiO₂ spodbujajo rekombinacijo radikalov v H₂ in H₂O₂, kar poveča neto izkoristek H₂ za faktor 5–10. Nastajanje hidridov in krhkost povzroča kovinsko jedro, ki absorbira vodik. Kritična koncentracija vodika za krekiranje Incoloya 825 je 100 delcev na milijon.

TiO₂ na jedru (µg/cm²) H₂ Faktor povečanja izkoristka H Stopnja absorpcije (ppm/mesec) Meseci 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
Debelina stene in pregrada iz titanata
Različne stopnje PFA kažejo različno prepustnost za 2,5 mm stene. Kristaličnost, potrebna za vzdrževanje 12-mesečnega TiO₂ pod 50 µg/cm²:

Prepustnost titanata stopnje PFA (mg/cm²·dan) TiO₂ pri 12 mesecih (µg/cm²) izpolnjuje<50 µg/cm²?
45 % kristaliničnost, 2,5 mm 0.22 120 Ne 50 % kristaliničnost, 2,5 mm 0.18 95 Ne 55 % kristaliničnost, 2,5 mm 0.11 60 Ne 58 % kristaliničnost, 2,5 mm 0.07 38 Da 60 % kristaliničnost, 2,5 mm 0.05 27 Da
Material jedra in dovzetnost za vodikovo krhkost
Več jedrnih kovin absorbira vodik z različnimi hitrostmi:

Kritični H za razpoke (ppm) Topnost kovinskega jedra H (ppm pri 160 stopinjah)H Stopnja absorpcije pri 10 ppm/mesec (meseci do kritične) Priporočeno za radioaktivne storitve
Incoloy 825 200 100 10 Marginal
Hastelloy C-276 150 80 8 št
Titan stopnje 2 800 300 (hidrid) 30 Sprejemljivo
Cirkonij 702 1000 400 40 Dobro
Tantal 50 25 2.5 Ne (slaba topnost)
Učinki hitrosti doze gama
Proizvodnja H₂ se poveča z višjimi odmerki gama. Podatki kot zgoraj za 100 Gy/h, kar je običajno za odpadke z nizko-aktivnostjo. Pri 500 Gy/h (viso-odpadki) je stopnja nastajanja H₂ 4-krat višja, kar zahteva prepustnost titanata pod 0,02 mg/cm²·dan, da ohranimo 12-mesečni TiO₂ pod 20 µg/cm².

Navodila za specifikacije za grelnike radioaktivnih odpadkov
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 visoko-kristaliničnost PFA (30-50 % nad standardom) je upravičena z zmanjšanjem vodikove krhkosti jedra pri obdelavi radioaktivnih odpadkov, kjer okvara grelnika povzroči radioaktivne emisije. Za nizkoaktivne odpadke z 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.