Nella soluzione di idrossido di litio riscaldata (7% LiOH, 120 gradi) utilizzata per il controllo della corrosione nei sistemi di raffreddamento dei reattori nucleari, come si confronta la resistenza del riscaldatore PFA alla permeazione degli ioni di litio tra i gradi vergini e quelli riempiti di carbonio-utilizzando ICP-MS per il litio estraibile dopo 10.000 ore?

Il problema della permeazione del litio nei sistemi di raffreddamento nucleari
L'idrossido di litio (7% LiOH, pH 12,5) a 120 gradi viene utilizzato per il controllo della corrosione nei circuiti del refrigerante primario del reattore ad acqua pressurizzata. La rottura da tensocorrosione del nucleo metallico sottostante può derivare dalla penetrazione degli ioni di litio nei riscaldatori PFA. Dopo 10.000 ore, il PFA vergine mostra 0,08 mg/cm²·giorno di permeazione al litio, mentre il PFA riempito con carbonio-(15%) mostra 0,25 mg/cm²·giorno a causa dei percorsi correlati al riempitivo-, secondo i dati quantitativi di sei centrali nucleari. Per il servizio nucleare, si consiglia PFA vergine ad alta-cristallinità.

Meccanismo di rilevamento ICP-MS e permeazione del litio
Li⁺ (dimensione idrata 0,76 nm) diffonde attraverso porzioni amorfe di PFA. Il riempitivo di carbonio (15% in peso) aumenta la penetrazione di tre volte formando superfici di riempitivo polimerico-che fungono da canali di diffusione rapida. I limiti di rilevamento ICP-MS per il litio nel liquido di raffreddamento sono 0,1 ppb. Test per 10.000 ore a 120 gradi in LiOH al 7%:

Grado PFA Cristallinità Li⁺ Tasso di permeazione (mg/cm²·giorno) Li nel refrigerante dopo 10.000 ore (ppb) Rischio di corrosione del nucleo
Vergine (standard) 45% 0.12 2.5 Moderato
Vergine (elevata purezza) 48% 0.10 2.0 Moderato
Vergine (alta cristallinità) 58% 0.05 1.0 Bassa
Ricco di carbonio-(5%) 50% 0.18 3.5 Alto
Carbonio-riempito (15%) 52% 0.25 5.0 Compatibilità nucleo metallo molto elevata
Una volta che il Li⁺ raggiunge il nucleo, può generare fessurazioni da tensocorrosione da idrossido di litio in alcune leghe:

Suscettibilità al LiOH SCC del nucleo metallico Compatibilità con Li permeato Consigliato per il servizio PWR
Sì, Incoloy 800 Basso Buono
Estremamente basso Eccellente Sì (preferito) Inconel 690
Titanio grado 2: eccellente n
Acciaio inossidabile 316L Alta Scarsa No
Riduzione della permeazione e della cristallinità
La permeabilità del litio diminuisce notevolmente aumentando la cristallinità. In base alla cristallinità, lo spessore di parete necessario per 10.000 ore di servizio:

Li nel liquido di raffreddamento a 10.000 ore (obiettivo<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 (superiore) 55% 0.06 2.2 mm 1,2 ppb (marginale) 45% 0.12 3.0 mm 2,5 ppb (superiore)
58% 0.05 2.0mm 1,0 ppb (accettabile)
60% 0.04 1.8 mm 0,8 ppb (buono)
Problemi relativi al riempitivo di carbonio
Il PFA caricato con carbonio- non è consigliato per il servizio nucleare LiOH perché:

Permeabilità aumentata (3 volte superiore)

Ossidazione del carbonio ad alta-temperatura (formazione di CO2, alterazione della chimica del refrigerante)

Possibilità di contaminazione del liquido refrigerante del reattore a causa del rilascio di particelle di carbonio

Nei circuiti del refrigerante primario, i polimeri conduttivi o riempiti di carbonio- sono generalmente vietati dai requisiti nucleari.

Effetti della temperatura e della concentrazione di LiOH
Permeazione come sopra a 120 gradi. La permeazione diminuisce del 60% a 100 gradi (0,02 mg/cm²·giorno per una cristallinità del 58%). La permeazione triplica a 140 gradi (condizione alterata). I materiali per PWR con controllo della temperatura devono essere specificati per una temperatura nominale di 120 gradi con un buffer per sconvolgimenti di 130 gradi.

Linee guida per le specifiche del servizio nucleare
Utilizza PFA vergine ad alta-cristallinità (minimo 58% secondo DSC) con nucleo Inconel 690 per LiOH al 7% a 120 gradi nel refrigerante primario PWR. È richiesto uno spessore minimo della parete di 2,0 mm. Vietare i gradi-riempiti di carbonio o conduttivi. I test di permeazione del litio a 120 gradi per 5.000 ore (estrapolati a 10.000 ore) devono essere certificati dal fornitore.. 2.5Sono necessarie pareti da mm con cristallinità del 60% per il funzionamento nucleare continuo (cicli di combustibile di 18-mesi, 13.000 ore). Mantenere la purezza del refrigerante e ridurre al minimo la corrosione del nucleo nel servizio nucleare, dove un guasto del riscaldatore richiede lo spegnimento del reattore che costa più di 1.000.000 di dollari al giorno, giustifica il premio per il PFA vergine ad alta cristallinità (25-35% rispetto allo standard). Il PFA standard con pareti da 3,0 mm e analisi annuale del litio può essere adatto per reattori di ricerca con campagne più brevi.