I uppvärmd litiumhydroxidlösning (7 % LiOH, 120 grader) som används för korrosionskontroll i kärnreaktorkylsystem, hur jämförs PFA-värmarens motståndskraft mot litiumjongenomträngning mellan virgin och kol-fyllda kvaliteter med ICP{{3} litium efter extrakt, 010 MS för 01?

Problemet med litiumgenomträngning i kärnkylsystem
Litiumhydroxid (7% LiOH, pH 12,5) vid 120 grader används för korrosionskontroll i tryckvattenreaktorns primära kylvätskeslingor. Sprickbildning av spänningskorrosion i den underliggande metallkärnan kan bli resultatet av litiumjoner som penetrerar PFA-värmare. Efter 10 000 timmar visar ny PFA 0,08 mg/cm²·dag av litiumgenomträngning, medan kol-fylld PFA (15 %) visar 0,25 mg/cm²·dag på grund av fyllmedelsrelaterade-vägar, enligt kvantitativa data från sex kärnkraftverk. För kärnkraftstjänster rekommenderas jungfrulig PFA med-högkristallinitet.

ICP-MS-detektion och litiumpermeationsmekanism
Li+ (hydratiserad dimension 0,76 nm) diffunderar genom amorfa delar av PFA. Kolfyllmedel (15 viktprocent) ökar penetrationen tre gånger genom att bilda polymer-fyllmedelsytor som fungerar som snabba diffusionskanaler. ICP-MS-detekteringsgränser för Li i kylvätska är 0,1 ppb. Testning i 10 000 timmar vid 120 grader i 7 % LiOH:

Kristallinitet av PFA-grad Li⁺ Permeationshastighet (mg/cm²·dag) Li i kylvätska efter 10 000 timmar (ppb) Risk för kärnkorrosion
Virgin (standard) 45 % 0.12 2.5 Måttlig
Virgin (hög renhet) 48 % 0.10 2.0 Måttlig
Virgin (hög kristallinitet) 58 % 0.05 1.0 Låg
Kol-rik (5 %) 50 % 0.18 3.5 hög
Kol-fylld (15 %) 52 % 0.25 5.0 Mycket hög kompatibilitet med kärnmetall
När Li⁺ väl når kärnan kan det generera litiumhydroxidspänningskorrosionssprickor i vissa legeringar:

LiOH SCC Mottaglighet för kärnmetallkompatibilitet med permeerad LiRekommenderas för PWR-service
Ja, Incoloy 800 Låg Bra
Extremt lågt Utmärkt Ja (föredraget) Inconel 690
Titanium Grade 2: Utmärkt nr
Rostfritt stål 316L Hög Dålig Nr
Minskning av permeation och kristallinitet
Litiumpermeabiliteten minskar kraftigt genom att öka kristalliniteten. Baserat på kristallinitet, den nödvändiga väggtjockleken för 10 000 timmars drift:

Li i kylvätska vid 10 000 timmar (mål<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 (överstiger) 55 % 0.06 2.2 mm 1,2 ppb (marginal) 45 % 0.12 3.0 mm 2,5 ppb (överskrider)
58 % 0.05 2.0mm 1,0 ppb (acceptabelt)
60 % 0.04 1.8 mm 0,8 ppb (bra)
Kolfyllningsproblem
Kol-fylld PFA rekommenderas inte för nukleär LiOH-tjänst eftersom:

Ökad permeabilitet (3x högre)

Koloxidation vid hög-temperatur (bildar CO2, förändrar kylvätskekemin)

Möjlighet för förorening av reaktorkylvätska på grund av frigöring av kolpartiklar

I primära kylvätskeslingor är ledande eller kol-fyllda polymerer i allmänhet förbjudna enligt kärnkraftskrav.

Effekter av temperatur och LiOH-koncentration
Permeation enligt ovan vid 120 grader. Permeationen minskar med 60 % vid 100 grader (0,02 mg/cm²·dag för 58 % kristallinitet). Permeationen tredubblas vid 140 grader (stört tillstånd). Material för PWR med temperaturkontroll bör specificeras för en nominell temperatur på 120 grader med en buffert för 130 graders störningar.

Riktlinjer för kärntekniska specifikationer
Använd ny PFA med hög-kristallinitet (minst 58 % av DSC) med Inconel 690-kärna för 7 % LiOH vid 120 grader i PWR-primärkylvätska. En minsta väggtjocklek på 2,0 mm krävs. Förbjud kol-fyllda eller ledande kvaliteter. Litiumpermeationstestning vid 120 grader i 5 000 timmar (extrapolerat till 10 000 timmar) måste certifieras av leverantören. 2.5mm väggar med 60 % kristallinitet krävs för kontinuerlig kärnkraftsdrift (18-månaders bränslecykler, 13 000 timmar). Att bibehålla kylvätskans renhet och minimera härdkorrosion i kärnkraftsdrift, där värmarens fel kräver reaktoravstängning som kostar mer än 1 000 000 USD per dag, motiverar premien för jungfrulig PFA med hög kristallinitet (25–35 % över standard). Standard PFA med 3,0 mm väggar och årlig litiumanalys kan vara lämplig för forskningsreaktorer med kortare kampanjer.