El repte de deposició de borat
Els reactors d'aigua a pressió utilitzen àcid bòric en el refrigerant primari per al control de la reactivitat. La concentració de bor varia des de 2.000 ppm a l'inici del cicle del combustible fins a gairebé zero al final. Els intercanviadors de calor del sistema de control químic i de volum gestionen l'aigua borada a temperatures de 50-150 graus. Quan l'aigua borada s'escalfa o es concentra, l'àcid bòric pot cristal·litzar com a escama de borat a la superfície d'intercanvi de calor.
L'escala de borat no és només un problema de transferència de calor-és un problema de química del reactor. El bor és un absorbent de neutrons. Els dipòsits de borat a la superfície de l'intercanviador de calor canvien l'equilibri local de neutrons, afectant potencialment la distribució de potència del reactor. L'escala s'ha d'eliminar amb la dissolució d'aigua calenta, que interromp el funcionament del reactor.
Els intercanviadors de calor metàl·lics-acer inoxidable, inconel-acumulen incrustacions de borat a la superfície. L'escala s'uneix a l'òxid metàl·lic mitjançant interaccions de grups hidroxil. La superfície metàl·lica calenta provoca l'augment de la concentració local que desencadena la cristal·lització.
Els intercanviadors de calor de PTFE resisteixen l'escala de borat a través de la inercia superficial. El fluoropolímer no té grups hidroxil per a l'enllaç borat. La baixa temperatura de la paret redueix l'efecte de concentració local. L'escala no es forma.
Mecanisme de cristal·lització de l'àcid bòric
L'àcid bòric (H₃BO₃) és soluble en aigua a aproximadament 50 g/L a 25 graus i 100 g/L a 100 graus. La solubilitat augmenta amb la temperatura. Quan l'aigua borada s'escalfa a la superfície de l'intercanviador de calor, l'àcid bòric es torna més soluble-no menys. La cristal·lització no es produeix per l'augment de la temperatura sinó per l'augment de la concentració quan l'aigua s'evapora a la superfície calenta. La capa límit s'enriqueix en àcid bòric més enllà del límit de solubilitat. Els cristalls d'àcid bòric precipiten a la superfície.
En una superfície metàl·lica, els cristalls d'àcid bòric s'uneixen mitjançant enllaços d'hidrogen: els grups B-OH de l'àcid bòric interaccionen amb els grups M-OH de l'òxid metàl·lic. La vinculació és forta. L'escala creix a través de la deposició continuada.
El PTFE no té grups M-OH. L'àcid bòric no troba socis d'enllaç. Els cristalls que es formen a la capa límit romanen com a partícules a l'aigua i són enduts pel flux.
| Paràmetre d'escala de borat | Acer inoxidable | Inconel 600 | PTFE |
|---|---|---|---|
| -Grups OH de superfície per a l'enllaç de borat | Sí (òxid) | Sí (òxid) | Cap |
| Adhesió d'escala d'àcid bòric (relativa) | 1.0 (línia de base) | 0.8-1.0 | 0.05-0.1 |
| Mètode d'eliminació d'escales | Dissolució d'aigua calenta | Aigua calenta | Flux de flux |
| Impacte d'escala del balanç de neutrons | Sí (escala de bor) | Sí | Cap (sense escala) |
Consideració de l'entorn de radiació
El refrigerant primari és radioactiu-conté productes de corrosió activats i triti. L'intercanviador de calor del sistema de control químic i de volum funciona en un camp de radiació de 10²-10⁴ Gris/any. La tolerància a la radiació del PTFE és limitada-una degradació mecànica significativa a dosis acumulades superiors a 10⁴{-10⁵ Gris. Per a les seccions de dosis més baixes del CVCS, el PTFE proporciona una vida útil adequada. Per a les seccions de dosis més altes a prop del recipient del reactor, poden ser necessaris intercanviadors metàl·lics malgrat el problema d'escala.
La consideració de la radiació s'ha d'avaluar cas per cas{0}}-. A les-regions de dosi més baixa del CVCS-l'intercanviador de calor de baixada, l'escalfament de maquillatge d'àcid bòric-PTFE proporciona tant resistència a l'escala com una tolerància adequada a la radiació. La selecció del material ve determinada per la taxa de dosi específica al lloc d'instal·lació.
La preservació de la puresa química
La química del refrigerant nuclear està estretament controlada. Els intercanviadors de calor metàl·lics alliberen ions metàl·lics traces-ferro, crom i níquel-al refrigerant. Aquests metalls s'activen en el flux de neutrons, convertint-se en productes de corrosió radioactius. Es dipositen al nucli del reactor, creant punts calents de radiació. El PTFE no allibera ions metàl·lics. El refrigerant roman lliure de productes de corrosió activats-intercanviadors-de calor. La taxa de dosi a la planta és corresponentment més baixa.
Resum
Els intercanviadors de calor de PTFE resisteixen l'escala de borat en l'escalfament del refrigerant primari nuclear mitjançant una superfície sense -unió que impedeix l'adhesió del cristall d'àcid bòric. L'absència d'alliberament d'ions metàl·lics redueix la generació de productes de corrosió activada-un avantatge significatiu per a la gestió de la radiació de les centrals nuclears. La tolerància a la radiació limita el PTFE a les seccions de dosi més baixa-del sistema de refrigeració, on proporciona resistència a l'escala i una vida útil acceptable. Per a aplicacions CVCS en el rang de dosi adequat, el PTFE ofereix avantatges operacionals i radiològics.
El suport d'enginyeria per a l'especificació de l'intercanviador de calor de PTFE nuclear està disponible després de la presentació de la concentració de bor, la química del refrigerant, la taxa de dosi de radiació i els procediments actuals de gestió de l'escala.
