البيئة الإشعاعية
إن مرافق إعادة معالجة الوقود النووي، ومحطات إنتاج النظائر المشعة، وبعض عمليات التعقيم الطبي تعرض معدات العملية للإشعاعات المؤينة. يجب أن تتحمل المبادلات الحرارية في هذه البيئات ليس فقط التحديات الكيميائية لحمض النيتريك وسوائل العمليات الأخرى ولكن أيضًا التأثيرات التراكمية لأشعة جاما على مدار سنوات من الخدمة.
يمكن أن يصل إجمالي الجرعة الممتصة لمبادل حراري في منشأة نووية متوسطة النشاط- إلى 10⁵ إلى 10⁶ رمادي (10-100 MRad) على مدار فترة خدمة تبلغ 10-سنوات. عند مستويات الجرعة هذه، تخضع البوليمرات لتغيرات جزيئية كبيرة - انقسام السلسلة أو التشابك - مما يغير خواصها الميكانيكية.
يُستخدم أحيانًا ETFE (بوليمر الإيثيلين- رباعي فلورو إيثيلين المشترك) في خدمة الإشعاع لأنه يُعتقد أن هيكله المفلور جزئيًا يوفر مقاومة إشعاع أفضل من PTFE المفلور بالكامل. وهذا الاعتقاد صحيح. لكن حجم الفرق-ومدى أهمية خدمة المبادل الحراري-يتطلب الفحص.
الفرق في الكيمياء الإشعاعية
يتفاعل الإشعاع المؤين مع البوليمرات عن طريق ترسيب الطاقة على طول سلسلة البوليمر. تكسر الطاقة الروابط الكيميائية، مما يؤدي إلى تكوين الجذور الحرة. يحدد مصير هذه الجذور ما إذا كان البوليمر يتحلل (انقسام السلسلة) أو يتقوى (التشابك).
في PTFE، تخضع الجذور الناتجة عن الإشعاع-في الغالب إلى انقسام متسلسل. ينكسر العمود الفقري C-C. يتناقص الوزن الجزيئي. أدت السلاسل المختصرة إلى تقليل القوة الميكانيكية. التأثير تراكمي ولا رجعة فيه. عند جرعة 10⁴ غراي (1 MRad)، تكون التغييرات قابلة للقياس ولكن قوة الشد الصغيرة - قد تنخفض بنسبة 5-10%. عند 10⁵ غراي (10 MRad)، يكون فقدان القوة كبيرًا بنسبة 30-50%. عند درجة حرارة 10⁶ غراي (100 ميكروراد)، يصبح PTFE هشًا وعديم الفائدة ميكانيكيًا.
في ETFE، تعمل وحدات مونومر الإيثيلين (-CH₂-CH₂-) في العمود الفقري للبوليمر على تغيير الاستجابة الإشعاعية. تكون روابط C-H في وحدات الإيثيلين أكثر عرضة للتكوين الجذري من روابط C-F، لكن الجذور الناتجة تميل إلى التشابك بدلاً من الخضوع لانقسام السلسلة. يزيد الارتباط المتشابك من الوزن الجزيئي ويمكن أن يحسن بعض الخواص الميكانيكية. يحتفظ ETFE بخصائص ميكانيكية مفيدة لجرعات الإشعاع الأعلى من PTFE.
| معلمة مقاومة الإشعاع | بتف | اي تي في اي |
|---|---|---|
| التأثير الإشعاعي السائد | انقسام السلسلة (التدهور) | التشابك (الاستقرار) |
| الجرعة التي يبدأ عندها تغيير الخاصية القابلة للقياس (Gy) | ~10³ (0.1 مراد) | ~10⁴ (1 مراد) |
| جرعة فقدان قوة الشد بنسبة 25% (Gy) | ~5 × 10⁴ (5 مراد) | ~5 × 10⁵ (50 مراد) |
| الجرعة التي تصبح عندها المادة هشة (Gy) | ~10⁶ (100 مراد) | ~2 × 10⁶ (200 مراد) |
| عمر الخدمة في بيئة 10⁴ غراي/سنة (بالسنوات) | 2-5 | 10-20 |
| ما بعد-مخاطر التعامل مع الإشعاع | عالية (كسر هش) | معتدل (يحتفظ ببعض الليونة) |
سياق معدل الجرعة العملي
إن ميزة مقاومة الإشعاع لـ ETFE مقارنة بـ PTFE هي ميزة حقيقية ولكن يجب وضعها في السياق. في غالبية تطبيقات المبادلات الحرارية بالمنشأة النووية، يكون معدل الجرعة الإشعاعية في موقع المبادل الحراري منخفضًا نسبيًا-وتوجد مناطق الإشعاع العالية-في أماكن أخرى من العملية.
إن المبادل الحراري الموجود في منطقة بمعدل جرعة يتراوح بين 10²-10³ غراي/سنة سوف يتراكم فقط 10³-10⁴ غراي على مدار عمر الخدمة الذي يبلغ 10 سنوات. عند هذه الجرعات، يحتفظ كل من PTFE وETFE بخصائصهما الميكانيكية بشكل كافٍ. الفرق الإشعاعي بين المادتين غير ذي صلة.
في المواقع عالية الإشعاع-حيث تقترب الجرعة المتراكمة على مدار عمر الجهاز من 10⁵ غراي أو تتجاوزها، يصبح الاختيار بين PTFE وETFE مهمًا. سوف يحافظ ETFE على السلامة الميكانيكية لفترة أطول. ومع ذلك، حتى ETFE سوف يتحلل في النهاية. يجب التخطيط لاستبدال المعدات بناءً على تراكم الجرعة المتوقعة، بغض النظر عن اختيار المواد.
تراكب المقاومة الكيميائية
مقاومة الإشعاع غير موجودة في عزلة. يجب أن تقاوم مادة المبادل الحراري أيضًا كيمياء العملية. وفي عملية إعادة معالجة الوقود النووي، عادةً ما تقوم تلك الكيمياء بغليان حمض النيتريك. PTFE مقاوم بشكل غير مشروط لحمض النيتريك. يتمتع ETFE بمقاومة جيدة ولكنها ليست غير مشروطة-حيث يمكن مهاجمته بواسطة الأحماض المؤكسدة القوية عند درجات حرارة مرتفعة.
يجب أن يزن قرار اختيار المواد المقاومة الإشعاعية الفائقة لـ ETFE مقابل المقاومة الكيميائية الفائقة لـ PTFE. في معظم التطبيقات النووية، تشكل كيمياء العملية (التي تهاجم بشكل مستمر) خطرًا أكبر من مجال الإشعاع (الذي يتحلل بشكل تراكمي). PTFE هو الخيار الأكثر شيوعًا لهذا السبب.
ملخص
توفر المبادلات الحرارية ETFE مقاومة أفضل لأشعة جاما من PTFE، مع الاحتفاظ بالخصائص الميكانيكية لجرعات أعلى بحوالي 5-10 مرات. ومع ذلك، في معظم مواقع المبادلات الحرارية للمنشآت النووية، يكون معدل الجرعة الإشعاعية منخفضًا بما يكفي لبقاء كلتا المادتين على قيد الحياة طوال فترة الخدمة المخططة للمعدات. إن المقاومة الكيميائية الفائقة لـ PTFE لحمض النيتريك والمواد الكيميائية الأخرى للعمليات النووية غالبًا ما تجعله الخيار المفضل على الرغم من ميزة الإشعاع التي يتمتع بها ETFE. ويعتمد الاختيار النهائي على معدل الجرعة المحددة، وكيمياء العملية، وتخطيط استبدال المعدات.
يتوفر الدعم الهندسي لاختيار مواد البيئة الإشعاعية عند تقديم معدل الجرعة المتوقعة، وتكوين سائل العملية، ودرجة حرارة التشغيل، وعمر خدمة المعدات المطلوبة.
