Radiācijas vide
Kodoldegvielas pārstrādes iekārtas, radioizotopu ražotnes un noteiktas medicīniskās sterilizācijas darbības pakļauj procesa iekārtas jonizējošam starojumam. Siltummaiņiem šajās vidēs ir jāiztur ne tikai slāpekļskābes un citu procesa šķidrumu ķīmiskās problēmas, bet arī gamma starojuma kumulatīvais efekts ekspluatācijas gadu laikā.
Kopējā absorbētā siltummaiņa deva vidējas -aktivitātes kodoliekārtā var sasniegt 10⁵ līdz 10⁶ pelēko krāsu (10-100 MRad) 10-gadu kalpošanas laikā. Šajos devu līmeņos polimēros notiek būtiskas molekulāras izmaiņas - ķēdes šķelšanās vai šķērssavienojumi -, kas maina to mehāniskās īpašības.
ETFE (etilēna-tetrafluoretilēna kopolimērs) dažkārt tiek uzskatīts par radiācijas pakalpojumu, jo tiek uzskatīts, ka tā daļēji fluorētā struktūra nodrošina labāku izturību pret starojumu nekā pilnībā fluorēts PTFE. Šī pārliecība ir pareiza. Taču ir jāpārbauda atšķirības lielums-un vai tas ir svarīgi siltummaiņa apkalpošanai-.
Radiācijas ķīmijas atšķirība
Jonizējošais starojums mijiedarbojas ar polimēriem, nogulsnējot enerģiju pa polimēra ķēdi. Enerģija sarauj ķīmiskās saites, radot brīvos radikāļus. Šo radikāļu liktenis nosaka, vai polimērs noārdās (ķēdes šķelšanās) vai nostiprinās (šķērssaistīšana).
PTFE radiācijas{0}}inducētajiem radikāļiem pārsvarā notiek ķēdes pārrāvums. C-C mugurkauls pārtrūkst. Molekulmasa samazinās. Saīsinātajām ķēdēm ir samazināta mehāniskā izturība. Ietekme ir kumulatīva un neatgriezeniska. Pie 10⁴ Gy (1 MRad) devas izmaiņas ir izmērāmas, bet nelielas -stiepes izturība var samazināties par 5–10%. Pie 10⁵ Gy (10 MRad) stiprības zudums ir ievērojams - 30-50%. Pie 10⁶ Gy (100 MRad) PTFE kļūst trausls un mehāniski nederīgs.
ETFE etilēna komonomēru vienības (-CH₂-CH₂-) polimēra mugurkaulā maina starojuma reakciju. C-H saites etilēna vienībās ir jutīgākas pret radikāļu veidošanos nekā C-F saites, taču iegūtajiem radikāļiem ir tendence veidot šķērssaites, nevis pakļaut ķēdes pārrāvumiem. Šķērssaistīšana palielina molekulmasu un var uzlabot noteiktas mehāniskās īpašības. ETFE saglabā noderīgas mehāniskās īpašības lielākām starojuma devām nekā PTFE.
| Radiācijas pretestības parametrs | PTFE | ETFE |
|---|---|---|
| Dominējošais starojuma efekts | Ķēdes šķelšanās (degradācija) | Šķērssaistīšana (stabilizēšana) |
| Deva, pie kuras sākas izmērāmās īpašības izmaiņas (Gy) | ~10³ (0,1 MRad) | ~10⁴ (1 MRad) |
| Deva 25% stiepes izturības zudumam (Gy) | ~5 × 10⁴ (5 MRad) | ~5 × 10⁵ (50 MRad) |
| Deva, pie kuras materiāls kļūst trausls (Gy) | ~10⁶ (100 MRad) | ~2 × 10⁶ (200 MRad) |
| Kalpošanas laiks 10⁴ Gy/gadā vidē (gadi) | 2-5 | 10-20 |
| Apstarošanas risks pēc-apstarošanas | Augsts (trausls lūzums) | Mērens (saglabā zināmu elastību) |
Praktiskais devas ātruma konteksts
ETFE radiācijas pretestības priekšrocības salīdzinājumā ar PTFE ir reālas, taču tās ir jāievieto kontekstā. Lielākajā daļā kodoliekārtu siltummaiņu lietojumu starojuma dozas jauda siltummaiņa vietā ir salīdzinoši zema, -augstas-starojuma zonas atrodas citur procesa laikā.
Siltummainis, kas novietots zonā ar dozas jaudu 10²–10³ Gy/gadā, 10 gadu kalpošanas laikā uzkrāj tikai 10³–10⁴ Gy. Šajās devās gan PTFE, gan ETFE pietiekami saglabā savas mehāniskās īpašības. Radiācijas atšķirībai starp abiem materiāliem nav nozīmes.
Vietās ar augstu -starojuma līmeni, kur uzkrātā doza iekārtas ekspluatācijas laikā tuvojas vai pārsniedz 10⁵ Gy, izvēle starp PTFE un ETFE kļūst nozīmīga. ETFE ilgāk saglabās mehānisko integritāti. Tomēr pat ETFE galu galā degradēsies. Aprīkojuma nomaiņa jāplāno, pamatojoties uz paredzamo devu uzkrāšanos neatkarīgi no materiāla izvēles.
Ķīmiskās izturības pārklājums
Radiācijas pretestība neeksistē atsevišķi. Siltummaiņa materiālam arī jāiztur procesa ķīmija. Kodoldegvielas pārstrādē šī ķīmija parasti ir vāroša slāpekļskābe. PTFE ir beznosacījumu izturīgs pret slāpekļskābi. ETFE ir laba, bet ne beznosacījumu pretestība-to var uzbrukt spēcīgas oksidējošas skābes paaugstinātā temperatūrā.
Materiāla izvēles lēmumā ir jāizsver ETFE augstākā starojuma izturība pret PTFE izcilo ķīmisko izturību. Lielākajā daļā kodolenerģijas lietojumu procesa ķīmija (kas uzbrūk nepārtraukti) rada lielāku risku nekā radiācijas lauks (kas degradējas kumulatīvi). Šī iemesla dēļ biežāk tiek izvēlēts PTFE.
Kopsavilkums
ETFE siltummaiņi nodrošina labāku izturību pret gamma starojumu nekā PTFE, saglabājot mehāniskās īpašības devām, kas ir aptuveni 5-10 reizes lielākas. Tomēr lielākajā daļā kodoliekārtu siltummaiņu atrašanās vietu starojuma dozas jauda ir pietiekami zema, lai abi materiāli izturētu iekārtas plānoto kalpošanas laiku. PTFE izcilā ķīmiskā izturība pret slāpekļskābi un citām kodolprocesa ķimikālijām bieži vien padara to par vēlamo izvēli, neskatoties uz ETFE radiācijas priekšrocībām. Galīgā izvēle ir atkarīga no konkrētās devas jaudas, procesa ķīmijas un aprīkojuma nomaiņas plānošanas.
Inženiertehniskais atbalsts radiācijas vides materiālu izvēlei ir pieejams pēc paredzamās dozas jaudas, procesa šķidruma sastāva, darba temperatūras un nepieciešamā aprīkojuma kalpošanas laika iesniegšanas.
