Radiační prostředí
Zařízení na přepracování jaderného paliva, závody na výrobu radioizotopů a některé operace lékařské sterilizace vystavují procesní zařízení ionizujícímu záření. Výměníky tepla v těchto prostředích musí odolávat nejen chemickým výzvám kyseliny dusičné a jiných procesních kapalin, ale také kumulativním účinkům gama záření v průběhu let provozu.
Celková absorbovaná dávka pro výměník tepla v jaderném zařízení střední{0}}aktivity může dosáhnout 10⁵ až 10⁶ Gray (10-100 MRad) během 10-leté životnosti. Při těchto úrovních dávek podléhají polymery významným molekulárním změnám - štěpení řetězce nebo zesítění - které mění jejich mechanické vlastnosti.
ETFE (ethylen-tetrafluorethylenový kopolymer) je někdy považován za radiační službu, protože se předpokládá, že jeho částečně fluorovaná struktura nabízí lepší odolnost vůči záření než plně fluorovaný PTFE. Tato víra je správná. Ale velikost rozdílu-a zda je to důležité pro servis výměníků tepla-vyžaduje prozkoumání.
Rozdíl v chemii záření
Ionizující záření interaguje s polymery ukládáním energie podél polymerního řetězce. Energie ruší chemické vazby a vytváří volné radikály. Osud těchto radikálů určuje, zda polymer degraduje (štěpení řetězce) nebo zpevňuje (zesíťování).
V PTFE radikály-indukované zářením podléhají převážně štěpení řetězce. Přeruší se páteř C-C. Molekulová hmotnost klesá. Zkrácené řetězy mají sníženou mechanickou pevnost. Účinek je kumulativní a nevratný. Při dávce 10⁴ Gy (1 MRad) jsou změny měřitelné, ale malá -pevnost v tahu může klesnout o 5–10 %. Při 10⁵ Gy (10 MRad) je ztráta síly významná – 30–50 %. Při 10⁶ Gy (100 MRad) se PTFE stává křehkým a mechanicky nepoužitelným.
V ETFE mění ethylenové komonomerní jednotky (-CH₂-CH₂-) v základním řetězci polymeru radiační odezvu. Vazby C-H v ethylenových jednotkách jsou náchylnější k tvorbě radikálů než vazby C-F, ale výsledné radikály mají tendenci se spíše zesíťovat, než podléhat štěpení řetězce. Zesítění zvyšuje molekulovou hmotnost a může zlepšit určité mechanické vlastnosti. ETFE si zachovává užitečné mechanické vlastnosti i při vyšších dávkách záření než PTFE.
| Parametr radiační odolnosti | PTFE | ETFE |
|---|---|---|
| Dominantní radiační efekt | Rozříznutí řetězu (degradace) | Síťování (stabilizace) |
| Dávka, při které začíná měřitelná změna vlastnosti (Gy) | ~10³ (0,1 MRad) | ~10⁴ (1 MRad) |
| Dávka pro 25% ztrátu pevnosti v tahu (Gy) | ~5 × 10⁴ (5 MRad) | ~5 × 10⁵ (50 MRad) |
| Dávka, při které se materiál stává křehkým (Gy) | ~10⁶ (100 MRad) | ~2 × 10⁶ (200 MRad) |
| Životnost v prostředí 10⁴ Gy/rok (roky) | 2-5 | 10-20 |
| Riziko manipulace po-ozáření | Vysoká (křehký lom) | Střední (zachovává si určitou tažnost) |
Kontext praktického dávkového příkonu
Výhoda radiační odolnosti ETFE oproti PTFE je skutečná, ale musí být uvedena do kontextu. Ve většině aplikací výměníků tepla v jaderných zařízeních je dávkový příkon záření v místě výměníku tepla relativně nízký-zóny s vysokým-zářením jsou jinde v procesu.
Výměník tepla umístěný v oblasti s dávkovým příkonem 10²-10³ Gy/rok akumuluje pouze 10³-10⁴ Gy za 10letou životnost. Při těchto dávkách si PTFE i ETFE přiměřeně zachovávají své mechanické vlastnosti. Radiační rozdíl mezi těmito dvěma materiály je irelevantní.
V místech s vysokým-zářením, kde se akumulovaná dávka za dobu životnosti zařízení blíží nebo překračuje 10⁵ Gy, je výběr mezi PTFE a ETFE důležitý. ETFE si déle zachová mechanickou integritu. Nicméně i ETFE se časem degraduje. Výměna zařízení musí být plánována na základě předpokládané akumulace dávky bez ohledu na výběr materiálu.
Překrytí chemické odolnosti
Radiační odpor neexistuje izolovaně. Materiál výměníku tepla musí také odolávat procesní chemii. Při přepracování jaderného paliva je touto chemií typicky vroucí kyselina dusičná. PTFE je bezpodmínečně odolný vůči kyselině dusičné. ETFE má dobrou, ale ne bezpodmínečnou odolnost-při zvýšených teplotách může být napaden silnými oxidačními kyselinami.
Rozhodnutí o výběru materiálu musí zvážit vynikající odolnost ETFE vůči záření oproti vynikající chemické odolnosti PTFE. Ve většině jaderných aplikací představuje procesní chemie (která nepřetržitě útočí) větší riziko než radiační pole (které kumulativně degraduje). Z tohoto důvodu je PTFE běžnější volbou.
Shrnutí
Tepelné výměníky ETFE nabízejí lepší odolnost vůči gama záření než PTFE, přičemž si zachovávají mechanické vlastnosti na dávky přibližně 5-10krát vyšší. Ve většině umístění výměníků tepla jaderných zařízení je však dávkový příkon záření dostatečně nízký, aby oba materiály přežily plánovanou životnost zařízení. Vynikající chemická odolnost PTFE vůči kyselině dusičné a dalším chemikáliím z jaderných procesů z něj často činí preferovanou volbu navzdory výhodě ETFE v oblasti záření. Konečný výběr závisí na konkrétním dávkovém příkonu, chemii procesu a plánování výměny zařízení.
Technická podpora pro výběr materiálu radiačního prostředí je k dispozici po předložení očekávaného dávkového příkonu, složení procesní kapaliny, provozní teploty a požadované životnosti zařízení.
