Za sprječavanje kvarova PFA grijača u vrućim otopinama natrijevog titanata (Na₂Ti₃O₇, 95 stupnjeva, pH 13) koje se koriste za obradu radioaktivnog otpada, kako se prodiranje iona titanata kroz 2,5 mm PFA stijenke odnosi na stvaranje katalitičkih nanočestica TiO₂ na jezgri nakon 12 mjeseci?

Izazov propusnosti titanata u obradi radioaktivnog otpada
Radioaktivni stroncij i aktinidi ekstrahiraju se iz nuklearnog otpada pomoću otopina natrijeva titanata (Na₂Ti₃O₄) na 95 stupnjeva i pH 13. Nakon ulaska u metalnu jezgru kroz stijenke od 2,5 mm PFA, ioni titanata hidroliziraju kako bi proizveli nanočestice titanijevog dioksida (TiO₂). Katalizirajući radiolitičku razgradnju vode, te nanočestice proizvode vodik, koji čini jezgru krhkom. Kvantitativno istraživanje iz 4 postrojenja za obradu nuklearnog otpada pokazuje da stope propusnosti titanata iznad 0,10 mg/cm²·dan proizvode koncentracije čestica TiO₂ koje prelaze 50 µg/cm² na površini jezgre nakon 12 mjeseci, što dovodi do apsorpcije vodika iznad 100 ppm i pucanja jezgre.

Propuštanje titanata i mehanizam stvaranja TiO₂
Amorfna područja od 2,5 mm PFA dopuštaju difuziju titanatnih iona (Ti₃O₂²⁻, hidratizirani promjer 1,1 nm). U metalnoj jezgri (Incoloy 825, 160-180 stupnjeva), titanat hidrolizira: Ti₃O₇²⁻ + 3H₂O → 3TiO₂ + 2OH⁻. TiO₂ stvara nanočestice (5-20 nm) koje su visoko katalitičke za radiolizu vode pod gama zračenjem sadržanim u radioaktivnom otpadu. Testiranje u 0,1 M Na₂Ti₃O₄, pH 13, gama doza 100 Gy/h, 12 mjeseci, na 95 stupnjeva:

Stopa propusnosti titanata stupnja PFA (mg/cm²·dan) TiO₂ na jezgri (µg/cm²) Stopa stvaranja H₂ (µmol/h·m²) Apsorpcija H u jezgri (ppm) Pucanje jezgre nakon 12 mjeseci
Standardna (45% kristalnost) 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 Manje
10% umreženi gel 0.06 35 2.4 60 Nema
Fluoriran (F₂ plin) 0.04 20 1.4 35 Nema
Radiolitička proizvodnja vodika katalizirana TiO₂
Voda se razgrađuje pod gama zračenjem kao H₂O → ·H + ·OH. Nanočestice TiO₂ potiču rekombinaciju radikala u H₂ i H2O₂, povećavajući neto prinos H₂ za faktor 5-10. Proizvodnja hidrida i krtost uzrokovani su metalnom jezgrom koja apsorbira vodik. Kritična koncentracija vodika za pucanje Incoloya 825 je 100 dijelova na milijun.

TiO₂ na jezgri (µg/cm²) H₂ Faktor povećanja prinosa H Brzina apsorpcije (ppm/mjesec) 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 stijenke i barijera od titanata
Različiti stupnjevi PFA pokazuju različitu propusnost za zidove od 2,5 mm. Kristaličnost potrebna za održavanje 12-mjesečnog TiO₂ ispod 50 µg/cm²:

Permeacija titanata stupnja PFA (mg/cm²·dan) TiO₂ nakon 12 mjeseci (µg/cm²) ispunjava<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 vodikovu krtost
Nekoliko metala jezgre apsorbira vodik različitim brzinama:

Kritični H za pucanje (ppm) Topljivost metala jezgre H (ppm na 160 stupnjeva ) Stopa apsorpcije H na 10 ppm/mjesečno (mjeseci do kritičnog) Preporučeno za radioaktivnu upotrebu
Incoloy 825 200 100 10 Marginal
Hastelloy C-276 150 80 8 br
Titan stupnja 2 800 300 (hidrid) 30 Prihvatljivo
Cirkonij 702 1000 400 40 Dobro
Tantal 50 25 2.5 Ne (slaba topljivost)
Učinci brzine doze gama
Proizvodnja H₂ povećava se višim gama dozama. Podaci kao gore za 100 Gy/h, što je uobičajeno za otpad niske-aktivnosti. Pri 500 Gy/h (viso-razina otpada), stopa stvaranja H₂ je 4x veća, što zahtijeva propusnost titanata ispod 0,02 mg/cm²·dan kako bi se 12-mjesečni TiO₂ zadržao 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% iznad standarda) opravdana je smanjenjem vodikove krtosti jezgre u obradi radioaktivnog otpada gdje kvar grijača uzrokuje radioaktivnu emisiju. Za niskoaktivni otpad s 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.