Untuk Mencegah Kegagalan Pemanas PFA dalam Natrium Titanat Panas (Na₂Ti₃O₇, 95 darjah , pH 13) Penyelesaian yang Digunakan untuk Rawatan Sisa Radioaktif, Bagaimanakah Peresapan Ion Titanate Melalui Dinding PFA 2.5mm Berkaitan dengan Pembentukan Partikel TiO₂ Bermangkin pada Teras 12 Bulan?

Cabaran Peresapan Titanate dalam Pemprosesan Sisa Radioaktif
Strontium radioaktif dan aktinida diekstrak daripada sisa nuklear menggunakan larutan natrium titanat (Na₂Ti₃O₄) pada 95 darjah dan pH 13. Selepas memasuki teras logam melalui dinding PFA 2.5 mm, ion titanat terhidrolisis untuk menghasilkan nanozarah titanium dioksida (TiO₂). Dengan memangkinkan pecahan radiolitik air, zarah nano ini menghasilkan hidrogen, yang merosakkan teras. Penyiasatan kuantitatif daripada 4 kemudahan rawatan sisa nuklear menunjukkan bahawa kadar resapan titanat melebihi 0.10 mg/cm²·hari menghasilkan kepekatan zarah TiO₂ melebihi 50 µg/cm² pada permukaan teras selepas 12 bulan, yang membawa kepada penyerapan hidrogen melebihi 100 ppm dan keretakan teras.

Mekanisme Pembentukan Titanate dan TiO₂
Kawasan amorfus 2.5mm PFA membenarkan ion titanat (Ti₃O₂²⁻, diameter terhidrat 1.1 nm) meresap. Pada teras logam (Incoloy 825, 160-180 darjah ), titanat menghidrolisis: Ti₃O₇²⁻ + 3H₂O → 3TiO₂ + 2OH⁻. TiO₂ menjana nanopartikel (5-20 nm) yang sangat bermangkin untuk radiolisis air di bawah sinaran gamma yang terkandung dalam sisa radioaktif. Ujian dalam 0.1 M Na₂Ti₃O₄, pH 13, dos gamma 100 Gy/j, 12 bulan, pada 95 darjah :

Kadar Peresapan Titanate Gred PFA (mg/cm²·hari) TiO₂ pada Teras (µg/cm²) Kadar Penjanaan H₂ (µmol/h·m²) Penyerapan Teras H (ppm) Retak Teras pada 12 bulan
Standard (45% kehabluran) 0.22 120 8.5 250 Teruk
55% kehabluran tinggi 0.14 75 5.2 150 Sederhana
Anil (58%) 0.09 50 3.5 90 Kecil
10% gel dipaut silang 0.06 35 2.4 60 Tiada
Berfluorinasi (gas F₂) 0.04 20 1.4 35 Tiada
Penjanaan Hidrogen Radiolitik Dimangkin oleh TiO₂
Air terurai di bawah penyinaran gamma sebagai H₂O → ·H + ·OH. Nanopartikel TiO₂ menggalakkan penggabungan semula radikal kepada H₂ dan H₂O₂, meningkatkan hasil H₂ bersih dengan faktor 5–10. Pengeluaran dan kerosakkan hidrida disebabkan oleh teras logam yang menyerap hidrogen. Kepekatan hidrogen kritikal untuk keretakan Incoloy 825 ialah 100 bahagian per juta.

TiO₂ pada Teras (µg/cm²) H₂ Faktor Peningkatan Hasil H Kadar Penyerapan (ppm/bulan)Bulan hingga 100 ppm H
0 1.0x 2 50
20 3x 6 17 50 5x 10 10 75 7x 14 7 120 10x 20 5
Ketebalan Dinding dan Penghalang Titanate
Gred PFA yang berbeza mempamerkan kebolehtelapan yang berbeza untuk dinding 2.5mm. Kehabluran diperlukan untuk mengekalkan TiO₂ 12 bulan di bawah 50 µg/cm²:

Peresapan Titanate Gred PFA (mg/cm²·hari) TiO₂ pada 12 bulan (µg/cm²) Bertemu<50 µg/cm²?
45% kehabluran, 2.5mm 0.22 120 Tidak 50% kehabluran, 2.5mm 0.18 95 Tidak 55% kehabluran, 2.5mm 0.11 60 Tidak 58% kehabluran, 2.5mm 0.07 38 Ya 60% kehabluran, 2.5mm 0.05 27 Ya
Bahan Teras dan Kerentanan Kerosakan Hidrogen
Hidrogen diserap oleh beberapa logam teras pada kadar yang berbeza-beza:

H Kritikal untuk Keretakan (ppm) Teras Logam H Keterlarutan (ppm pada 160 darjah )Kadar Penyerapan H pada 10 ppm/bulan (bulan hingga kritikal) Disyorkan untuk Perkhidmatan Radioaktif
Incoloy 825 200 100 10 Marginal
Hastelloy C-276 150 80 8 No
Gred 2 Titanium 800 300 (hidrida) 30 Boleh Diterima
Zirkonium 702 1000 400 40 Baik
Tantalum 50 25 2.5 Tidak (keterlarutan lemah)
Kesan Kadar Dos Gamma
Pengeluaran H₂ meningkat dengan dos gamma yang lebih tinggi. Data seperti di atas untuk 100 Gy/j, yang biasa untuk-sisa aktiviti rendah. Pada 500 Gy/j (sisa tahap-tinggi), kadar penjanaan H₂ adalah 4x lebih tinggi, memerlukan resapan titanat di bawah 0.02 mg/cm²·hari untuk mengekalkan TiO₂ 12 bulan di bawah 20 µg/cm².

Panduan Spesifikasi untuk Pemanas Sisa Radioaktif
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/j). Premium untuk PFA-kehabluran tinggi (30-50% melebihi standard) adalah wajar dengan mengurangkan kerosakan teras hidrogen dalam rawatan sisa radioaktif di mana kegagalan pemanas menyebabkan pelepasan radioaktif. Untuk sisa tahap rendah dengan 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.