สำหรับการป้องกันความล้มเหลวของฮีตเตอร์ PFA ในโซเดียมไททาเนตร้อน (Na₂Ti₃O₇, 95 องศา, pH 13) โซลูชันที่ใช้สำหรับการบำบัดกากกัมมันตภาพรังสี การซึมผ่านของไอออนไททาเนตผ่านผนัง PFA ขนาด 2.5 มม. เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของอนุภาคนาโน TiO₂ ที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาบนแกนกลางหลังจากผ่านไป 12 เดือนอย่างไร

ความท้าทายในการซึมผ่านของ Titanate ในการประมวลผลของเสียที่มีกัมมันตภาพรังสี
กัมมันตภาพรังสีสตรอนเซียมและแอกติไนด์ถูกสกัดจากกากนิวเคลียร์โดยใช้สารละลายโซเดียมไททาเนต (Na₂Ti₃O₄) ที่ 95 องศาและ pH 13 หลังจากเข้าสู่แกนโลหะผ่านผนัง PFA ขนาด 2.5 มม. ไททาเนตไอออนจะไฮโดรไลซ์เพื่อผลิตอนุภาคนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO₂) ด้วยการเร่งปฏิกิริยาการสลายกัมมันตภาพรังสีของน้ำ อนุภาคนาโนเหล่านี้จะผลิตไฮโดรเจนซึ่งเกาะตัวอยู่ในแกนกลาง การตรวจสอบเชิงปริมาณจากโรงบำบัดกากนิวเคลียร์ 4 แห่งแสดงให้เห็นว่าอัตราการซึมผ่านของไททาเนตที่สูงกว่า 0.10 มก./ซม.²·วัน ทำให้เกิดความเข้มข้นของอนุภาค TiO₂ มากกว่า 50 µg/ซม.² บนพื้นผิวแกนกลางหลังจากผ่านไป 12 เดือน ซึ่งนำไปสู่การดูดซับไฮโดรเจนเกิน 100 ppm และแกนกลางแตก

การซึมผ่านของไททาเนตและกลไกการเกิด TiO₂
พื้นที่อสัณฐานของ PFA ขนาด 2.5 มม. ช่วยให้ไอออนไททาเนต (Ti₃O₂²⁻, เส้นผ่านศูนย์กลางไฮเดรต 1.1 นาโนเมตร) กระจายตัวได้ ที่แกนโลหะ (อินคอลอยย์ 825, 160-180 องศา ) ไททาเนตไฮโดรไลซ์: Ti₃O₇²⁻ + 3H₂O → 3TiO₂ + 2OH⁻ TiO₂ สร้างอนุภาคนาโน (5-20 นาโนเมตร) ที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสูงสำหรับการแผ่รังสีในน้ำภายใต้รังสีแกมมาที่มีอยู่ในกากกัมมันตภาพรังสี การทดสอบใน Na₂Ti₃O₄ 0.1 M, pH 13, ปริมาณแกมมา 100 Gy/ชม., 12 เดือน, ที่ 95 องศา :

อัตราการซึมผ่านไททาเนตเกรด PFA (มก./ซม.²·วัน) TiO₂ บนแกนกลาง (µg/cm²) อัตราการสร้าง H₂ (µmol/h·m²) การดูดซับแกน H (ppm) แกนแตกที่ 12 เดือน
มาตรฐาน (ความเป็นผลึก 45%) 0.22 120 8.5 250 รุนแรง
ความตกผลึกสูง 55% 0.14 75 5.2 150 ปานกลาง
อบอ่อน (58%) 0.09 50 3.5 90 เล็กน้อย
เจลเชื่อมขวาง 10% 0.06 35 2.4 60 ไม่มี
ฟลูออริเนต (ก๊าซ F₂) 0.04 20 1.4 35 ไม่มี
การสร้างไฮโดรเจนกัมมันตภาพรังสีถูกเร่งปฏิกิริยาโดย TiO₂
น้ำแตกตัวภายใต้การฉายรังสีแกมมาเป็น H₂O → ·H + ·OH อนุภาคนาโน TiO₂ ส่งเสริมการรวมตัวกันอย่างรุนแรงของ H₂ และ H₂O₂ โดยเพิ่มผลผลิต H₂ สุทธิเป็นปัจจัย 5–10 การผลิตไฮไดรด์และการเปราะเกิดจากการที่แกนโลหะดูดซับไฮโดรเจน ความเข้มข้นของไฮโดรเจนวิกฤตสำหรับการแคร็ก Incoloy 825 คือ 100 ส่วนในล้านส่วน

TiO₂ บนแกน (µg/cm²) H₂ Yield Enhancement Factor H อัตราการดูดซึม (ppm/เดือน) เดือนจนถึง 100 ppm H
0 1.0x 2 50
20 3x 6 17 50 5x 10 10 75 7x 14 7 120 10x 20 5
ความหนาของผนังและกั้นไททาเนต
เกรด PFA ที่แตกต่างกันมีความสามารถในการซึมผ่านที่แตกต่างกันสำหรับผนัง 2.5 มม. ความเป็นผลึกที่จำเป็นในการรักษา TiO₂ 12 เดือนให้ต่ำกว่า 50 µg/cm²:

การซึมผ่านไททาเนตเกรด PFA (มก./ซม.²·วัน) TiO₂ ที่ 12 เดือน (µg/ซม.²) ตรงตาม<50 µg/cm²?
ความแวววาว 45%, 2.5 มม. 0.22 120 ไม่มีความแวววาว 50%, 2.5 มม. 0.18 95 ไม่มีความแวววาว 55%, 2.5 มม. 0.11 60 ไม่มีความแวววาว 58%, 2.5 มม. 0.07 38 ใช่ ความแวววาว 60%, 2.5 มม. 0.05 27 ใช่
วัสดุหลักและความไวต่อการเกิดการแตกตัวของไฮโดรเจน
ไฮโดรเจนถูกดูดซับโดยโลหะหลักหลายชนิดในอัตราที่แตกต่างกัน:

Critical H สำหรับการแคร็ก (ppm) ความสามารถในการละลายของ H ที่เป็นแกนกลางของโลหะ (ppm ที่ 160 องศา ) อัตราการดูดซึม H ที่ 10 ppm/เดือน (ตั้งแต่เดือนถึงวิกฤต) แนะนำสำหรับบริการกัมมันตภาพรังสี
อินคอลอย 825 200 100 10 ส่วนขอบ
ฮาสเตลลอย C-276 150 80 8 หมายเลข
ไทเทเนียมเกรด 2 800 300 (ไฮไดรด์) 30 ยอมรับได้
เซอร์โคเนียม 702 1000 400 40 ดี
แทนทาลัม 50 25 2.5 ไม่ (ละลายได้ไม่ดี)
ผลกระทบของอัตราปริมาณรังสีแกมมา
การผลิตH₂จะเพิ่มขึ้นตามปริมาณแกมมาที่สูงขึ้น ข้อมูลข้างต้นสำหรับ 100 Gy/h ซึ่งเป็นเรื่องปกติสำหรับของเสียจากกิจกรรมต่ำ- ที่ 500 Gy/h (ของเสียในระดับสูง-) อัตราการสร้าง H₂ จะสูงขึ้น 4 เท่า ทำให้ต้องมีการซึมผ่านของไททาเนตต่ำกว่า 0.02 มก./ซม.²·วัน เพื่อรักษา TiO₂ 12 เดือนให้ต่ำกว่า 20 µg/ซม.²

คำแนะนำข้อมูลจำเพาะสำหรับเครื่องทำความร้อนขยะกัมมันตภาพรังสี
Specify PFA with a minimum crystallinity of 58% (annealed or slow-cooled), a wall thickness of 2.5 mm, and a titanium Grade 2 core for sodium titanate solutions at 95°C, pH 13, and gamma radiation. Require supplier confirmation of titanate permeation below 0.08 mg/cm²·day at 95°C in pH 13 solution. 60% crystallinity with 3.0 mm walls and zirconium core is required for high-level waste services (gamma >200 กิกะจูล/ชม.) ค่าพรีเมียมสำหรับ PFA ที่มีความเป็นผลึกสูง- (สูงกว่ามาตรฐาน 30- 50%) ได้รับการพิสูจน์โดยการลดการแตกตัวของไฮโดรเจนในแกนกลางในการบำบัดกากกัมมันตภาพรังสี ซึ่งเครื่องทำความร้อนล้มเหลวทำให้เกิดการปล่อยสารกัมมันตภาพรังสี สำหรับของเสียระดับต่ำที่มีแกมมา<10 Gy/h, standard PFA (50% crystallinity) with 2.5mm walls may be suitable with annual core hydrogen monitoring. When TiO₂ on core exceeds 30 µg/cm² (determined by XRF), schedule heater repair within 6 months. Use external heating (heat trace on tank walls) to completely prevent infiltration for the highest level of safety.