În soluție încălzită de hidroxid de litiu (7% LiOH, 120 de grade) utilizată pentru controlul coroziunii în sistemele de răcire a reactoarelor nucleare, cum se compară rezistența încălzitorului PFA la penetrarea ionilor de litiu între gradele virgine și umplute cu carbon-folosind ICP{{3},MS litiu pentru extracție?

Problema permeabilității cu litiu în sistemele de răcire nucleară
Hidroxidul de litiu (7% LiOH, pH 12,5) la 120 de grade este utilizat pentru controlul coroziunii în buclele primare de răcire a reactoarelor cu apă sub presiune. Fisurarea prin coroziune sub tensiune a miezului metalic dedesubt poate rezulta din penetrarea ionilor de litiu în încălzitoarele PFA. După 10.000 de ore, PFA virgin prezintă 0,08 mg/cm²·zi de permeație cu litiu, în timp ce PFA umplut cu carbon-(15%) prezintă 0,25 mg/cm²·zi din cauza rutelor legate de umplutură-, conform datelor cantitative de la șase centrale nucleare. Pentru serviciul nuclear, se recomandă PFA virgin{13}}cu cristalinitate ridicată.

Mecanism de detectare ICP-MS și de penetrare a litiului
Li⁺ (dimensiunea hidratată 0,76 nm) difuzează prin porțiuni amorfe de PFA. Materialul de umplutură cu carbon (15 procente în greutate) mărește penetrarea de trei ori prin formarea de suprafețe de umplutură polimer-care servesc drept canale de difuzie rapidă. Limitele de detecție ICP-MS pentru Li în lichidul de răcire sunt 0,1 ppb. Testare timp de 10.000 de ore la 120 de grade în 7% LiOH:

Gradul PFA Cristalinitate Li⁺ Rata de penetrare (mg/cm²·zi) Li în lichidul de răcire după 10.000 ore (ppb) Risc de coroziune a miezului
Virgin (standard) 45% 0.12 2.5 Moderat
Virgin (puritate ridicată) 48% 0.10 2.0 Moderat
Virgin (cristalinitate ridicată) 58% 0.05 1.0 Scăzut
Bogat-carbon (5%) 50% 0.18 3.5 Ridicat
Umplut cu carbon-(15%) 52% 0.25 5.0 Compatibilitate foarte mare cu miezul metalului
Odată ce Li⁺ ajunge la miez, poate genera fisurare prin coroziune sub tensiune prin hidroxid de litiu în anumite aliaje:

LiOH SCC Susceptibilitatea metalului de bază Compatibilitatea cu Li permeat Recomandat pentru service PWR
Da, Incoloy 800 Low Bun
Extrem de scăzut Excelent Da (de preferat) Inconel 690
Titan grad 2: excelent nr
Oțel inoxidabil 316L Ridicat Slab Nr
Reducerea permeabilității și a cristalinității
Permeabilitatea litiului este mult redusă prin creșterea cristalinității. Pe baza cristalinității, grosimea necesară a peretelui pentru 10.000 de ore de funcționare:

Li în lichid de răcire la 10.000 de ore (obiectiv<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 (depășește) 55% 0.06 2.2 mm 1,2 ppb (marginal) 45% 0.12 3.0 mm 2,5 ppb (depășește)
58% 0.05 2.0mm 1,0 ppb (acceptabil)
60% 0.04 1.8 mm 0,8 ppb (bine)
Probleme de umplere cu carbon
PFA umplut cu carbon-nu este sugerat pentru serviciul nuclear LiOH deoarece:

Permeabilitate crescută (de 3 ori mai mare)

Oxidarea carbonului-la temperatură ridicată (formând CO2, modificând chimia lichidului de răcire)

Posibilitatea de contaminare a agentului de răcire din reactor datorită eliberării particulelor de carbon

În buclele de răcire primară, polimerii conductivi sau umpluți cu carbon- sunt în general interziși de cerințele nucleare.

Efectele temperaturii și ale concentrației de LiOH
Permeabilitatea ca mai sus la 120 de grade. Permeația scade cu 60% la 100 de grade (0,02 mg/cm²·zi pentru 58% cristalinitate). Permeația se triplează la 140 de grade (stare deranjată). Materialele pentru PWR cu control al temperaturii ar trebui să fie specificate pentru o temperatură nominală de 120 de grade cu un tampon pentru supărări de 130 de grade.

Ghid pentru specificațiile serviciului nuclear
Utilizați PFA virgin cu-cristalinitate ridicată (minimum 58% prin DSC) cu miez Inconel 690 pentru 7% LiOH la 120 de grade în lichid de răcire primar PWR. Este necesară o grosime minimă a peretelui de 2,0 mm. Interziceți calitățile umplute cu carbon-sau conductive. Testarea permeabilității cu litiu la 120 de grade timp de 5000 de ore (extrapolată la 10.000 de ore) trebuie să fie certificată de furnizor.. 2.5Pereții de mm cu 60% cristalinitate sunt necesari pentru funcționarea nucleară continuă (cicluri de combustibil de 18-luni, 13.000 de ore). Menținerea purității lichidului de răcire și reducerea la minimum a coroziunii miezului în serviciul nuclear, unde defecțiunea încălzitorului necesită oprirea reactorului care costă mai mult de 1.000.000 USD pe zi, justifică prima pentru PFA virgin cu cristalinitate ridicată (25-35% față de standard). PFA standard cu pereți de 3,0 mm și analiză anuală cu litiu poate fi potrivit pentru reactoarele de cercetare cu campanii mai scurte.