L'entorn de radiació
Les instal·lacions de reprocessament de combustible nuclear, les plantes de producció de radioisòtops i determinades operacions d'esterilització mèdica exposen els equips de procés a radiacions ionitzants. Els intercanviadors de calor en aquests entorns han de suportar no només els reptes químics de l'àcid nítric i altres fluids de procés, sinó també els efectes acumulats de la radiació gamma durant anys de servei.
La dosi total absorbida per a un intercanviador de calor en una instal·lació nuclear d'activitat- mitjana pot arribar a 10⁵ a 10⁶ gris (10-100 MRad) durant una vida útil de 10-anys. A aquests nivells de dosi, els polímers experimenten canvis moleculars significatius -escissió o reticulació de la cadena- que alteren les seves propietats mecàniques.
De vegades es considera ETFE (copolímer d'etilè-tetrafluoroetilè) per al servei de radiació perquè es creu que la seva estructura parcialment fluorada ofereix una millor resistència a la radiació que el PTFE totalment fluorat. Aquesta creença és correcta. Però cal examinar la magnitud de la diferència-i si és important per al servei d'intercanviador de calor-.
La diferència de la química de la radiació
La radiació ionitzant interacciona amb els polímers dipositant energia al llarg de la cadena del polímer. L'energia trenca els enllaços químics, creant radicals lliures. El destí d'aquests radicals determina si el polímer es degrada (scissió de la cadena) o s'enforteix (reticulació).
En el PTFE, els radicals-induïts per radiació se sotmeten principalment a una escissió de cadena. La columna vertebral C-C es trenca. El pes molecular disminueix. Les cadenes escurçades tenen una resistència mecànica reduïda. L'efecte és acumulatiu i irreversible. A una dosi de 10⁴ Gy (1 MRad), els canvis són mesurables, però la resistència a la tracció petita-pot baixar un 5-10%. A 10⁵ Gy (10 MRad), la pèrdua de força és significativa -30-50%. A 10⁶ Gy (100 MRad), el PTFE es torna fràgil i mecànicament inútil.
En ETFE, les unitats de comonòmers d'etilè (-CH₂-CH2{-) a la columna vertebral del polímer canvien la resposta a la radiació. Els enllaços C-H de les unitats d'etilè són més susceptibles a la formació de radicals que els enllaços C{-F, però els radicals resultants tendeixen a reticular-se en lloc de patir una escissió de cadena. La reticulació augmenta el pes molecular i pot millorar certes propietats mecàniques. ETFE conserva propietats mecàniques útils a dosis de radiació més altes que el PTFE.
| Paràmetre de resistència a la radiació | PTFE | ETFE |
|---|---|---|
| Efecte de radiació dominant | Escissió de cadena (degradació) | Reticulació (estabilització) |
| Dosi a la qual comença el canvi de propietat mesurable (Gy) | ~10³ (0,1 MRad) | ~10⁴ (1 MRad) |
| Dosi per a una pèrdua de resistència a la tracció del 25% (Gy) | ~5 × 10⁴ (5 MRad) | ~5 × 10⁵ (50 MRad) |
| Dosi a la qual el material es torna trencadís (Gy) | ~10⁶ (100 MRad) | ~2 × 10⁶ (200 MRad) |
| Vida útil en un entorn de 10⁴ Gy/any (anys) | 2-5 | 10-20 |
| Risc de manipulació de la-irradiació | Alt (fractura fràgil) | Moderat (conserva una mica de ductilitat) |
El context pràctic de la taxa de dosi
L'avantatge de resistència a la radiació de l'ETFE sobre el PTFE és real, però s'ha de situar en context. A la majoria de les aplicacions d'intercanviador de calor de les instal·lacions nuclears, la taxa de dosi de radiació a la ubicació de l'intercanviador de calor és relativament baixa-les zones d'alta-radiació es troben en altres llocs del procés.
Un intercanviador de calor situat en una àrea amb una taxa de dosi de 10²-10³ Gy/any acumularà només 10³-10⁴ Gy durant una vida útil de 10 anys. A aquestes dosis, tant PTFE com ETFE conserven les seves propietats mecàniques adequadament. La diferència de radiació entre els dos materials és irrellevant.
En llocs d'alta-radiació on la dosi acumulada durant la vida útil de l'equip s'aproxima o supera els 10⁵ Gy, l'elecció entre PTFE i ETFE esdevé significativa. ETFE mantindrà la integritat mecànica durant més temps. Tanmateix, fins i tot ETFE acabarà degradant-se. La substitució de l'equip s'ha de planificar en funció de l'acumulació de dosis prevista, independentment de la selecció del material.
La superposició de resistència química
La resistència a la radiació no existeix de manera aïllada. El material de l'intercanviador de calor també ha de resistir la química del procés. En el reprocessament del combustible nuclear, aquesta química normalment està bullint àcid nítric. El PTFE és incondicionalment resistent a l'àcid nítric. L'ETFE té una resistència bona però no incondicional-pot ser atacat per àcids oxidants forts a temperatures elevades.
La decisió de selecció del material ha de ponderar la resistència a la radiació superior de ETFE contra la resistència química superior del PTFE. En la majoria de les aplicacions nuclears, la química del procés (que ataca contínuament) suposa un risc més gran que el camp de radiació (que es degrada acumuladament). El PTFE és l'opció més habitual per aquest motiu.
Resum
Els intercanviadors de calor ETFE ofereixen una millor resistència a la radiació gamma que el PTFE, conservant les propietats mecàniques a dosis aproximadament 5-10 vegades superiors. Tanmateix, a la majoria d'ubicacions dels intercanviadors de calor de les instal·lacions nuclears, la taxa de dosi de radiació és prou baixa perquè ambdós materials sobrevisquin a la vida útil planificada de l'equip. La resistència química superior del PTFE a l'àcid nítric i altres productes químics del procés nuclear sovint el converteix en l'opció preferida malgrat l'avantatge de radiació de l'ETFE. La selecció final depèn de la taxa de dosi específica, la química del procés i la planificació de substitució d'equips.
El suport d'enginyeria per a la selecció de materials de l'entorn de radiació està disponible després de la presentació de la taxa de dosi esperada, la composició del fluid de procés, la temperatura de funcionament i la vida útil de l'equip requerida.
