Wie widersteht ein PTFE-Wärmetauscher der radioaktiven Kontamination bei der Beheizung von Atommülltanks?
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Die Umgebung der Atommülltanks
Lagertanks für Atommüll enthalten hochradioaktive Flüssigkeiten-Spaltprodukte, Aktiniden und ätzende Chemikalien aus der Wiederaufbereitung von Brennstoffen. Die Tanks müssen beheizt werden, um Ausfällungen zu verhindern, die chemische Stabilität aufrechtzuerhalten oder den Abfall für die Vitrifizierung vorzubereiten. Der Wärmetauscher im Inneren des Tanks ist sowohl dem Strahlungsfeld des Abfalls als auch der aggressiven chemischen Umgebung der Abfalllösung ausgesetzt.
Metallische Wärmetauscher-Edelstahl, Titan, Zirkonium-sind in dieser Umgebung mit zwei Herausforderungen konfrontiert: strahlungsinduzierte-Korrosionsverstärkung und permanente Oberflächenverunreinigung. Das Strahlungsfeld beschleunigt Korrosionsreaktionen. Die Metalloberfläche absorbiert radioaktive Isotope und macht den Wärmetauscher selbst zu radioaktivem Abfall, wenn er schließlich entfernt wird. Die Dekontamination ist schwierig und der Wärmetauscher wird zum Entsorgungsgegenstand.
PTFE verhält sich anders. Seine Strahlungstoleranz ist geringer als die von Metallen.-Bei kumulativen Dosen über 10⁴-10⁵ Gray (1-10 MRad) kommt es zu einem erheblichen mechanischen Abbau. Aber für die für das Innere von Fäkalientanks typischen Dosisleistungen (10²-10⁴ Gray/Jahr) bietet PTFE eine ausreichende Lebensdauer. Noch wichtiger ist, dass PTFE keine radioaktive Kontamination in seine Struktur aufnimmt. Die Oberfläche kann durch chemisches Waschen dekontaminiert werden, und der verbrauchte Wärmetauscher stellt keine nennenswerte Belastung durch radioaktiven Abfall dar.
Die Strahlungstoleranz von PTFE
PTFE erfährt unter ionisierender Strahlung eine Kettenspaltung. Das Polymergerüst bricht auf, wodurch das Molekulargewicht abnimmt. Bei kumulativen Dosen über 10⁴ Gray (1 MRad) kommt es zu einem messbaren Verlust der Zugfestigkeit und Dehnung. Bei 10⁵ Gray (10 MRad) verliert das Material 50–70 % seiner mechanischen Eigenschaften. Bei 10⁶ Gray (100 MRad) wird PTFE spröde und unbrauchbar.
Die Strahlungsdosisleistung im Inneren eines Atommülltanks variiert je nach Zusammensetzung und Alter des Abfalls. Für typischen mittelaktiven Abfall beträgt die Dosisleistung an der Tankinnenoberfläche 10²-10⁴ Gray/Jahr. Ein PTFE-Wärmetauscher sammelt in dieser Umgebung über eine 10-jährige Lebensdauer 10³-10⁵ Gray an. Am unteren Ende dieses Bereichs ist die mechanische Verschlechterung vernachlässigbar. Am oberen Ende muss der Wärmetauscher möglicherweise nach 5 bis 8 Jahren ausgetauscht werden.
| Strahlungsparameter | PTFE | Edelstahl | Titan |
|---|---|---|---|
| Mechanismus des Strahlungsabbaus | Kettenspaltung (mechanische Schwächung) | Korrosionsverbesserung | Korrosionsverbesserung |
| Für einen Verlust der mechanischen Eigenschaften von 25 % dosieren | ~5 × 10⁴ Grau (5 MRad) | >10⁷ Grau (kein mechanischer Effekt) | >10⁷ Grau |
| Oberflächenkontaminationsmechanismus | Minimale Absorption (nur Oberfläche) | Oxidfilm absorbiert Isotope | Oxidfilm absorbiert Isotope |
| Wirksamkeit der Dekontamination | Hervorragend (chemische Reinigung stellt die saubere Oberfläche wieder her) | Schlecht (Isotope dringen in die Oxidschicht ein) | Schlecht bis mäßig |
| Klassifizierung verbrauchter Geräte | Schwach-Abfälle (nur Oberflächenkontamination) | Höhere Aktivität (Volumenverunreinigung) | Höhere Aktivität |
Der Dekontaminationsvorteil
Dekontamination ist der wichtigste PTFE-Vorteil für den Nuklearbetrieb. Metallische Oberflächen nehmen radioaktive Isotope in ihren Oxidschichten auf. Cäsium, Strontium und Aktinide durchdringen die Oxidschicht und werden in die Metalloberfläche integriert. Die Entfernung dieser Verschmutzung erfordert eine intensive chemische Behandlung -starker Säuren und Komplexbildner-, die dem Metall schaden können. Nach der Dekontamination verbleibt eine Restaktivität und die Metallkomponente muss als radioaktiver Abfall behandelt und entsorgt werden.
PTFE hat keinen Oxidfilm. Radio-aktive Isotope gelangen nicht an die Oberfläche. Die Kontamination erstreckt sich nur bis zur äußeren Moleküloberfläche, einige Nanometer tief. Sämtliche Oberflächenverschmutzungen werden durch eine chemische Wäsche mit schwacher Säure oder einer Dekontaminationslösung entfernt. Das dekontaminierte PTFE kann wiederverwendet oder als sehr schwach belasteter Abfall entsorgt werden.
Für Einrichtungen, die ihr eigenes radioaktives Abfallinventar kontrollieren, bietet die geringere Abfallbelastung durch PTFE-Komponenten einen erheblichen betrieblichen und wirtschaftlichen Vorteil.
Das Overlay für chemische Kompatibilität
Radioaktivität ist nicht das einzige Problem mit Atommüll: Sie ist auch chemisch feindselig. Der Wärmetauscher ist wiederaufbereitender Salpetersäure, Laugen, die bei der Neutralisierung von Abfällen verwendet werden, und Komplexbildnern, die bei Dekontaminationsvorgängen verwendet werden, ausgesetzt. PTFE reagiert bei keinem pH-Wert mit diesen Substanzen. Metallische Wärmetauscher müssen so ausgewählt werden, dass sie mit der jeweiligen Abfallchemie kompatibel sind, und eine Änderung der Chemie birgt ein Korrosionsrisiko.
PTFE ist aufgrund seiner Strahlungsbeständigkeit, einfachen Reinigung und chemischen Universalität ein brauchbares Material für Heizanwendungen in Abwassertanks, sofern die Dosisleistung innerhalb der Toleranzgrenze liegt.
Zusammenfassung
PTFE-Wärmetauscher sind eine geeignete Alternative zur Beheizung von Atommüllbehältern, wenn die Strahlungsdosisleistung eine ausreichende Lebensdauer zulässt. Die Toleranz des Materials gegenüber einer kumulativen Dosierung von 10⁴-10⁵ Gray deckt viele Tankanwendungen ab. Der Hauptvorteil ist die Dekontamination – PTFE absorbiert keine radioaktiven Isotope in einer Oberflächenoxidschicht. Chemisches Waschen sorgt für eine saubere, ablösbare Oberfläche. Die radioaktive Abfallbelastung des Altwärmetauschers ist gering. PTFE verfügt über eine universelle chemische Beständigkeit, was ein starkes Argument für den Einsatz in Heizanwendungen für Atommülltanks darstellt.
Technische Unterstützung für die Strahlungsumgebung. Die Spezifikationen für PTFE-Wärmetauscher werden nach Erhalt der Dosisleistungsdaten, der Abfallchemie, der erforderlichen Lebensdauer und der Dekontaminationsanforderungen bereitgestellt.
