Die Strahlungsumgebung
Anlagen zur Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen, Anlagen zur Herstellung von Radioisotopen und bestimmte medizinische Sterilisationsvorgänge setzen Prozessgeräte ionisierender Strahlung aus. Wärmetauscher in diesen Umgebungen müssen nicht nur den chemischen Herausforderungen von Salpetersäure und anderen Prozessflüssigkeiten standhalten, sondern auch den kumulativen Auswirkungen von Gammastrahlung über viele Jahre hinweg.
Die gesamte absorbierte Dosis für einen Wärmetauscher in einer Kernanlage mittlerer Aktivität kann 10⁵ bis 10⁶ Gray (10-100 MRad) über eine 10{7}jährige Lebensdauer erreichen. Bei diesen Dosierungen unterliegen Polymere erheblichen molekularen Veränderungen – Kettenspaltung oder Vernetzung –, die ihre mechanischen Eigenschaften verändern.
ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer) wird manchmal für Strahlungsanwendungen in Betracht gezogen, da angenommen wird, dass seine teilweise fluorierte Struktur eine bessere Strahlungsbeständigkeit bietet als vollständig fluoriertes PTFE. Dieser Glaube ist richtig. Aber die Größe des Unterschieds-und ob er für die Wartung des Wärmetauschers von Bedeutung ist-muss untersucht werden.
Der Unterschied in der Strahlenchemie
Ionisierende Strahlung interagiert mit Polymeren, indem sie Energie entlang der Polymerkette deponiert. Die Energie bricht chemische Bindungen auf und erzeugt freie Radikale. Das Schicksal dieser Radikale bestimmt, ob das Polymer abgebaut (Kettenspaltung) oder verstärkt (Vernetzung) wird.
In PTFE unterliegen strahlungsinduzierte Radikale überwiegend einer Kettenspaltung. Das C-C-Rückgrat bricht. Das Molekulargewicht nimmt ab. Die verkürzten Ketten haben eine verringerte mechanische Festigkeit. Der Effekt ist kumulativ und irreversibel. Bei einer Dosis von 10⁴ Gy (1 MRad) sind die Veränderungen messbar, aber kleine -Zugfestigkeiten können um 5–10 % sinken. Bei 10⁵ Gy (10 MRad) ist der Festigkeitsverlust erheblich – 30–50 %. Bei 10⁶ Gy (100 MRad) wird PTFE spröde und mechanisch unbrauchbar.
Bei ETFE verändern die Ethylen-Comonomer-Einheiten (-CH₂-CH₂-) im Polymerrückgrat die Strahlungsreaktion. Die C-H-Bindungen in den Ethyleneinheiten sind anfälliger für die Bildung von Radikalen als C-F-Bindungen, aber die resultierenden Radikale neigen eher zur Vernetzung als zur Kettenspaltung. Die Vernetzung erhöht das Molekulargewicht und kann bestimmte mechanische Eigenschaften verbessern. ETFE behält auch bei höheren Strahlendosen nützliche mechanische Eigenschaften als PTFE.
| Strahlungswiderstandsparameter | PTFE | ETFE |
|---|---|---|
| Dominanter Strahlungseffekt | Kettenspaltung (Abbau) | Vernetzung (Stabilisierung) |
| Dosis, bei der die messbare Eigenschaftsänderung beginnt (Gy) | ~10³ (0,1 MRad) | ~10⁴ (1 MRad) |
| Dosierung für 25 % Zugfestigkeitsverlust (Gy) | ~5 × 10⁴ (5 MRad) | ~5 × 10⁵ (50 MRad) |
| Dosis, bei der das Material spröde wird (Gy) | ~10⁶ (100 MRad) | ~2 × 10⁶ (200 MRad) |
| Lebensdauer in einer Umgebung mit 10⁴ Gy/Jahr (Jahre) | 2-5 | 10-20 |
| Risiko bei der Handhabung nach-Bestrahlung | Hoch (Spröderbruch) | Mäßig (behält eine gewisse Duktilität bei) |
Der praktische Dosisleistungskontext
Der Vorteil der Strahlungsbeständigkeit von ETFE gegenüber PTFE ist real, muss aber im Kontext gesehen werden. Bei den meisten Wärmetauscheranwendungen in Kernanlagen ist die Strahlungsdosisleistung am Standort des Wärmetauschers relativ niedrig. -Die Zonen mit hoher Strahlung-befinden sich an anderer Stelle im Prozess.
Ein Wärmetauscher, der in einem Bereich mit einer Dosisleistung von 10²-10³ Gy/Jahr positioniert ist, sammelt über eine 10-jährige Lebensdauer nur 10³-10⁴ Gy an. Bei diesen Dosierungen behalten sowohl PTFE als auch ETFE ihre mechanischen Eigenschaften ausreichend bei. Der Strahlungsunterschied zwischen den beiden Materialien ist unerheblich.
An Standorten mit hoher -Strahlung, an denen die über die Gerätelebensdauer akkumulierte Dosis 10⁵ Gy erreicht oder überschreitet, ist die Wahl zwischen PTFE und ETFE von Bedeutung. ETFE behält die mechanische Integrität länger bei. Allerdings wird auch ETFE irgendwann an Qualität verlieren. Der Geräteaustausch muss unabhängig von der Materialauswahl auf der Grundlage der vorhergesagten Dosisakkumulation geplant werden.
Die Chemikalienbeständigkeitsauflage
Strahlungsresistenz existiert nicht isoliert. Auch das Wärmetauschermaterial muss der Prozesschemie standhalten. Bei der Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen handelt es sich bei dieser Chemie typischerweise um siedende Salpetersäure. PTFE ist uneingeschränkt beständig gegen Salpetersäure. ETFE verfügt über eine gute, aber nicht bedingungslose Beständigkeit-es kann bei erhöhten Temperaturen durch stark oxidierende Säuren angegriffen werden.
Bei der Materialauswahl muss die überlegene Strahlungsbeständigkeit von ETFE gegen die überlegene chemische Beständigkeit von PTFE abgewogen werden. Bei den meisten nuklearen Anwendungen stellt die Prozesschemie (die kontinuierlich angreift) ein größeres Risiko dar als das Strahlungsfeld (das sich kumulativ abbaut). Aus diesem Grund ist PTFE die häufigere Wahl.
Zusammenfassung
ETFE-Wärmetauscher bieten eine bessere Beständigkeit gegen Gammastrahlung als PTFE und behalten ihre mechanischen Eigenschaften bis zu etwa 5- bis 10-mal höheren Dosen bei. An den meisten Wärmetauscherstandorten kerntechnischer Anlagen ist die Strahlungsdosisleistung jedoch niedrig genug, dass beide Materialien die geplante Lebensdauer der Anlage überdauern. Die überlegene chemische Beständigkeit von PTFE gegenüber Salpetersäure und anderen nuklearen Prozesschemikalien macht es trotz des Strahlungsvorteils von ETFE oft zur bevorzugten Wahl. Die endgültige Auswahl hängt von der spezifischen Dosisleistung, der Prozesschemie und der Planung des Geräteaustauschs ab.
Technische Unterstützung bei der Materialauswahl für Strahlungsumgebungen ist nach Vorlage der erwarteten Dosisleistung, der Zusammensetzung der Prozessflüssigkeit, der Betriebstemperatur und der erforderlichen Gerätelebensdauer verfügbar.
