Voor het voorkomen van defecten aan PFA-verwarmers in hete natriumtitanaat (Na₂Ti₃O₇, 95 graden, pH 13) oplossingen die worden gebruikt voor de behandeling van radioactief afval: hoe verhoudt de permeatie van titanaationen door 2,5 mm PFA-wanden zich tot de vorming van katalytische TiO₂-nanodeeltjes op de kern na 12 maanden?

De Titanate-permeatie-uitdaging bij de verwerking van radioactief afval
Radioactief strontium en actiniden worden uit kernafval geëxtraheerd met behulp van natriumtitanaat (Na₂Ti₃O₄)-oplossingen bij 95 graden en pH 13. Nadat ze de metalen kern zijn binnengegaan via 2,5 mm PFA-wanden, hydrolyseren titanaationen om titaniumdioxide (TiO₂) nanodeeltjes te produceren. Door de radiolytische afbraak van water te katalyseren, produceren deze nanodeeltjes waterstof, waardoor de kern bros wordt. Kwantitatief onderzoek bij vier installaties voor de behandeling van kernafval toont aan dat de permeatiesnelheden van titanaat boven 0,10 mg/cm²·dag TiO₂-deeltjesconcentraties van meer dan 50 µg/cm² op het kernoppervlak na 12 maanden opleveren, wat leidt tot waterstofabsorptie van meer dan 100 ppm en kernscheuren.

Titanaatpermeatie en TiO₂-vormingsmechanisme
Amorfe gebieden van 2,5 mm PFA zorgen ervoor dat titanaationen (Ti₃O₂²⁻, gehydrateerde diameter 1,1 nm) kunnen diffunderen. Bij de metalen kern (Incoloy 825, 160-180 graden) hydrolyseert titanaat: Ti₃O₇²⁻ + 3H₂O → 3TiO₂ + 2OH⁻. Het TiO₂ genereert nanodeeltjes (5-20 nm) die zeer katalytisch zijn voor de radiolyse van water onder gammastraling in radioactief afval. Testen in 0,1 M Na₂Ti₃O₄, pH 13, gammadosis 100 Gy/u, 12 maanden, bij 95 graden:

Permeatiesnelheid van titanaat van PFA-kwaliteit (mg/cm²·dag) TiO₂ op kern (μg/cm²) H₂-generatiesnelheid (μmol/h·m²) Kern H-absorptie (ppm) Kernscheuring na 12 maanden
Standaard (45% kristalliniteit) 0.22 120 8.5 250 Ernstig
55% hoge kristalliniteit 0.14 75 5.2 150 Matig
Gegloeid (58%) 0.09 50 3.5 90 Klein
10% gel-vernet 0.06 35 2.4 60 Geen
Gefluoreerd (F₂-gas) 0.04 20 1.4 35 Geen
Radiolytische waterstofproductie gekatalyseerd door TiO₂
Water wordt onder gammastraling afgebroken als H₂O → ·H + ·OH. TiO₂-nanodeeltjes bevorderen radicale recombinatie tot H₂ en H₂O₂, waardoor de netto H₂-opbrengst met een factor 5-10 toeneemt. Hydrideproductie en verbrossing worden veroorzaakt doordat de metalen kern waterstof absorbeert. De kritische waterstofconcentratie voor het kraken van Incoloy 825 bedraagt ​​100 delen per miljoen.

TiO₂ op kern (µg/cm²) H₂ Opbrengstverbeteringsfactor H Absorptiesnelheid (ppm/maand) Maanden tot 100 ppm H
0 1.0x 2 50
20 3x 6 17 50 5x 10 10 75 7x 14 7 120 10x 20 5
Wanddikte en Titanate-barrière
Verschillende PFA-kwaliteiten vertonen een variërende permeabiliteit voor muren van 2,5 mm. Kristalliniteit nodig om TiO₂ gedurende 12 maanden onder de 50 µg/cm² te houden:

PFA-kwaliteit titaanpermeatie (mg/cm²·dag) TiO₂ na 12 maanden (µg/cm²) Voldoet aan<50 µg/cm²?
45% kristalliniteit, 2,5 mm 0.22 120 Nee 50% kristalliniteit, 2,5 mm 0.18 95 Nee 55% kristalliniteit, 2,5 mm 0.11 60 Nee 58% kristalliniteit, 2,5 mm 0.07 38 Ja 60% kristalliniteit, 2,5 mm 0.05 27 Ja
Kernmateriaal en gevoeligheid voor waterstofverbrossing
Waterstof wordt met verschillende snelheden door verschillende kernmetalen geabsorbeerd:

Kritieke H voor scheurvorming (ppm) Kernmetaal H Oplosbaarheid (ppm bij 160 graden) H Absorptiesnelheid bij 10 ppm/maand (maanden tot kritisch) Aanbevolen voor radioactief gebruik
Incoloy 825 200 100 10 Marginaal
Hastelloy C-276 150 80 8 Nee
Graad 2 Titanium 800 300 (hydride) 30 Acceptabel
Zirkonium 702 1000 400 40 Goed
Tantaal 50 25 2.5 Nee (slechte oplosbaarheid)
Gamma-dosissnelheidseffecten
De H₂-productie wordt verhoogd door hogere gammadoses. Gegevens zoals hierboven voor 100 Gy/u, wat gebruikelijk is voor verspilling met lage-activiteit. Bij 500 Gy/u (afval met een hoog-niveau) is de snelheid van de H₂-generatie 4x hoger, waardoor een titanaatpermeatie van minder dan 0,02 mg/cm²·dag nodig is om de TiO₂ over een periode van twaalf maanden onder de 20 µg/cm² te houden.

Specificatierichtlijnen voor radioactieve afvalverwarmers
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/u). De premie voor PFA met hoge{2}}kristalliniteit (30-50% ten opzichte van standaard) wordt gerechtvaardigd door het verminderen van de waterstofverbrossing in de kern bij de behandeling van radioactief afval, waarbij defecten aan de verwarming radioactieve emissie veroorzaken. Voor laagactief afval met gamma<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.