За спречавање кварова у грејачу ПФА у врелом натријум-титанату (На₂Ти₃О₇, 95 степени, пХ 13) растворима који се користе за третман радиоактивног отпада, како се продирање титанатних јона кроз зидове ПФА од 2,5 мм односи на формирање ТинопартО на катализатору На2₂ месеци?

Изазов продирања титаната у преради радиоактивног отпада
Радиоактивни стронцијум и актиниди се екстрахују из нуклеарног отпада коришћењем раствора натријум титаната (На₂Ти₃О₄) на 95 степени и пХ 13. Након уласка у метално језгро кроз 2,5 мм ПФА зидове, титанат јони хидролизују да би произвели наночестице титанијум диоксида (ТиО₂). Катализујући радиолитичку разградњу воде, ове наночестице производе водоник, који оштећује језгро. Квантитативно истраживање из 4 постројења за третман нуклеарног отпада показује да стопе пермеације титаната изнад 0,10 мг/цм²·дан стварају концентрације ТиО₂ честица које прелазе 50 µг/цм² на површини језгра након 12 месеци, што доводи до апсорпције водоника изнад 100 ппм и пуцања језгра.

Пермеација титаната и механизам формирања ТиО₂
Аморфне области од 2,5 мм ПФА омогућавају дифузију титанатних јона (Ти₃О₂²⁻, хидратизовани пречник 1,1 нм). У металном језгру (Инцолои 825, 160-180 степени), титанат хидролизује: Ти₃О₇²⁻ + 3Х2О → 3ТиО₂ + 2ОХ⁻. ТиО₂ ствара наночестице (5-20 нм) које су веома каталитичке за радиолизу воде под гама зрачењем садржаним у радиоактивном отпаду. Испитивање у 0,1 М На₂Ти₃О₄, пХ 13, гама доза 100 Ги/х, 12 месеци, на 95 степени:

Брзина пермеације титаната (мг/цм²·дан) ТиО₂ на језгру (µг/цм²) Брзина стварања Х₂ (µмол/х·м²) Апсорпција језгра Х (ппм) Пуцање језгра након 12 месеци
Стандардно (45% кристалности) 0.22 120 8.5 250 Озбиљно
55% висока кристалност 0.14 75 5.2 150 Умерена
жарено (58%) 0.09 50 3.5 90 Минор
10% умрежени гел 0.06 35 2.4 60 Нема
Флуорисани (Ф₂ гас) 0.04 20 1.4 35 Нема
Радиолитичко стварање водоника катализовано ТиО₂
Вода се разлаже под гама зрачењем као Х₂О → ·Х + ·ОХ. Наночестице ТиО₂ промовишу рекомбинацију радикала у Х₂ и Х2О₂, повећавајући нето принос Х₂ за фактор 5–10. Производња и крхкост хидрида су узроковани металним језгром које апсорбује водоник. Критична концентрација водоника за крекинг Инцолои 825 је 100 делова на милион.

ТиО₂ на језгру (µг/цм²) Х₂ Фактор повећања приноса Х Брзина апсорпције (ппм/месечно) Месеци до 100 ппм Х
0 1.0x 2 50
20 3x 6 17 50 5x 10 10 75 7x 14 7 120 10x 20 5
Дебљина зида и баријера од титаната
Различите врсте ПФА показују различиту пропустљивост за зидове од 2,5 мм. Кристалинитет потребан за одржавање 12-месечног ТиО₂ испод 50 µг/цм²:

Пермеација титаната степена ПФА (мг/цм²·дан) ТиО₂ на 12 месеци (µг/цм²) Испуњава<50 µg/cm²?
45% кристалности, 2,5 мм 0.22 120 Не 50% кристалности, 2,5 мм 0.18 95 Не 55% кристалности, 2,5 мм 0.11 60 Не 58% кристалности, 2,5 мм 0.07 38 Да 60% кристалности, 2,5 мм 0.05 27 Да
Материјал језгра и осетљивост на крхкост водоника
Водоник апсорбује неколико метала језгра различитим брзинама:

Критична Х за пуцање (ппм) Растворљивост Х језгра метала (ппм на 160 степени) Х Брзина апсорпције на 10 ппм/месечно (месеци до критичног) Препоручено за радиоактивну службу
Инцолои 825 200 100 10 маргина
Хастеллои Ц-276 150 80 8 бр
Титанијум 2 степена 800 300 (хидрид) 30 Прихватљиво
Цирконијум 702 1000 400 40 Добро
Тантал 50 25 2.5 Не (лоша растворљивост)
Ефекти брзине дозе гама
Производња Х₂ се повећава са већим гама дозама. Подаци као горе за 100 Ги/х, што је уобичајено за отпад са ниском{2}}активношћу. При 500 Ги/х (високи-отпад), стопа производње Х₂ је 4 пута већа, што захтева пропусност титаната испод 0,02 мг/цм²·дан да би се 12-месечни ТиО₂ одржао испод 20 µг/цм².

Смернице за спецификације за грејаче радиоактивног отпада
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 Ги/х). Премија за ПФА високе{2}}кристалности (30-50% у односу на стандард) је оправдана смањењем кртости водоника у језгру у третману радиоактивног отпада где квар грејача изазива радиоактивну емисију. За нискоактивни отпад са гама<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.