In erhitzter Lithiumhydroxidlösung (7 % LiOH, 120 Grad), die zur Korrosionskontrolle in Kernreaktor-Kühlsystemen verwendet wird, wie verhält sich die Widerstandsfähigkeit der PFA-Heizung gegenüber der Permeation von Lithiumionen zwischen reinen und kohlenstoffgefüllten Qualitäten unter Verwendung von ICP{3}}MS für extrahierbares Lithium nach 10.000 Stunden?

Das Problem der Lithiumpermeation in nuklearen Kühlmittelsystemen
Lithiumhydroxid (7 % LiOH, pH 12,5) bei 120 Grad wird zum Korrosionsschutz in Primärkühlkreisläufen von Druckwasserreaktoren verwendet. Durch das Eindringen von Lithiumionen in PFA-Heizungen kann es zu Spannungsrisskorrosion im darunter liegenden Metallkern kommen. Nach 10.000 Stunden weist reines PFA eine Lithiumpermeation von 0,08 mg/cm²·Tag auf, wohingegen kohlenstoffgefülltes PFA (15 %) 0,25 mg/cm²·Tag aufgrund füllstoffbedingter Wege aufweist, wie aus quantitativen Daten aus sechs Kernkraftwerken hervorgeht. Für den Einsatz im Nuklearbereich wird reines hochkristallines PFA empfohlen.

ICP-MS-Erkennungs- und Lithiumpermeationsmechanismus
Li⁺ (hydratisierte Dimension 0,76 nm) diffundiert durch amorphe Anteile von PFA. Kohlenstofffüllstoff (15 Gewichtsprozent) erhöht die Penetration um das Dreifache, indem er Polymerfüllstoffoberflächen bildet, die als schnelle Diffusionskanäle dienen. Die ICP-MS-Nachweisgrenzen für Li im Kühlmittel liegen bei 0,1 ppb. Test über 10.000 Stunden bei 120 Grad in 7 % LiOH:

Kristallinität der PFA-Klasse Li⁺-Permeationsrate (mg/cm²·Tag) Li im Kühlmittel nach 10.000 Stunden (ppb) Kernkorrosionsrisiko
Neuware (Standard) 45 % 0.12 2.5 Mäßig
Neuware (hohe Reinheit) 48 % 0.10 2.0 Mäßig
Neuware (hohe Kristallinität) 58 % 0.05 1.0 Niedrig
Kohlenstoff-reich (5 %) 50 % 0.18 3.5 Hoch
Kohlenstoff-gefüllt (15 %) 52 % 0.25 5.0 Sehr hohe Kernmetallkompatibilität
Sobald Li⁺ den Kern erreicht, kann es in bestimmten Legierungen zu Lithiumhydroxid-Spannungskorrosionsrissen führen:

LiOH-SCC-Anfälligkeit der Kernmetallkompatibilität mit permeiertem Li. Empfohlen für PWR-Service
Ja, Incoloy 800 Niedrig Gut
Extrem niedrig Ausgezeichnet Ja (bevorzugt) Inconel 690
Titan Grad 2: Ausgezeichnet Nr
Edelstahl 316L Hoch Schlecht Nein
Reduzierung der Permeation und Kristallinität
Die Lithiumpermeabilität wird durch zunehmende Kristallinität stark verringert. Basierend auf der Kristallinität ergibt sich die erforderliche Wandstärke für 10.000 Betriebsstunden:

Li im Kühlmittel bei 10.000 Stunden (Ziel<1 ppb) Wall Thickness for 10,000 hours Li Permeation Rate (mg/cm²·day) PFA Crystallinity
50 % 0.08 2.5 mm 1,6 ppb (überschreitet) 55 % 0.06 2.2 mm 1,2 ppb (geringfügig) 45 % 0.12 3.0 mm 2,5 ppb (überschreitet)
58 % 0.05 2.0mm 1,0 ppb (akzeptabel)
60 % 0.04 1.8 mm 0,8 ppb (gut)
Probleme mit Kohlenstofffüllstoffen
Kohlenstoff-gefülltes PFA wird aus folgenden Gründen nicht für nukleare LiOH-Anwendungen empfohlen:

Erhöhte Durchlässigkeit (3x höher)

Kohlenstoffoxidation bei hohen-Temperaturen (Bildung von CO2, Veränderung der Kühlmittelchemie)

Möglichkeit einer Verunreinigung des Reaktorkühlmittels aufgrund der Freisetzung von Kohlenstoffpartikeln

In primären Kühlmittelkreisläufen sind leitfähige oder mit Kohlenstoff{0}}gefüllte Polymere aufgrund nuklearer Anforderungen generell verboten.

Auswirkungen von Temperatur und LiOH-Konzentration
Permeation wie oben bei 120 Grad. Die Permeation nimmt bei 100 Grad um 60 % ab (0,02 mg/cm²·Tag für 58 % Kristallinität). Bei 140 Grad verdreifacht sich die Permeation (Störungszustand). Materialien für Druckwasserreaktoren mit Temperaturregelung sollten für eine Nenntemperatur von 120 Grad mit einem Puffer für Störungen von 130 Grad spezifiziert werden.

Richtlinien für nukleare Servicespezifikationen
Verwenden Sie reines PFA mit hoher Kristallinität (mindestens 58 % gemäß DSC) mit Inconel 690-Kern für 7 % LiOH bei 120 Grad im PWR-Primärkühlmittel. Es ist eine Mindestwandstärke von 2,0 mm erforderlich. Kohlenstoffgefüllte oder leitfähige Sorten sind verboten. Lithiumpermeationstests bei 120 Grad über 5.000 Stunden (extrapoliert auf 10.000 Stunden) müssen vom Anbieter zertifiziert werden. {{14}mm Wände mit 60 % Kristallinität sind für den kontinuierlichen Kernbetrieb erforderlich (18{{23}monatige Brennstoffzyklen, 13.000 Stunden). Die Aufrechterhaltung der Kühlmittelreinheit und die Minimierung der Kernkorrosion im Nuklearbetrieb, wo ein Heizungsausfall eine Reaktorabschaltung erforderlich macht, die mehr als 1.000.000 US-Dollar pro Tag kostet, rechtfertigen den Aufpreis für hochkristallines reines PFA (25–35 % über dem Standard). Standard-PFA mit 3,0 mm Wandstärke und jährlicher Lithiumanalyse kann für Forschungsreaktoren mit kürzeren Laufzeiten geeignet sein.