Em solução aquecida de hidróxido de lítio (7% LiOH, 120 graus) usada para controle de corrosão em sistemas de refrigeração de reatores nucleares, como a resistência do aquecedor PFA à permeação de íons de lítio se compara entre graus cheios de virgem e carbono-usando ICP-MS para lítio extraível após 10.000 horas?

O problema da permeação de lítio em sistemas de refrigeração nuclear
Hidróxido de lítio (7% LiOH, pH 12,5) a 120 graus é usado para controle de corrosão em circuitos de refrigeração primários de reatores de água pressurizada. A fissuração por corrosão sob tensão do núcleo metálico subjacente pode resultar da penetração de íons de lítio nos aquecedores PFA. Após 10.000 horas, o PFA virgem mostra 0,08 mg/cm²·dia de permeação de lítio, enquanto o PFA-preenchido com carbono (15%) mostra 0,25 mg/cm²·dia devido às rotas relacionadas ao enchimento, de acordo com dados quantitativos de seis usinas nucleares. Para serviços nucleares, recomenda-se PFA virgem de alta{13}}cristalinidade.

ICP-Mecanismo de detecção de MS e permeação de lítio
Li⁺ (dimensão hidratada 0,76 nm) difunde-se através de porções amorfas de PFA. O enchimento de carbono (15 por cento em peso) aumenta a penetração três vezes, formando superfícies de enchimento-de polímero que servem como canais de difusão rápida. Os limites de detecção de ICP-MS para Li no refrigerante são de 0,1 ppb. Testando por 10.000 horas a 120 graus em 7% LiOH:

Cristalinidade de grau PFA Li⁺ Taxa de permeação (mg/cm²·dia) Li no refrigerante após 10.000 horas (ppb) Risco de corrosão do núcleo
Virgem (padrão) 45% 0.12 2.5 Moderado
Virgem (alta pureza) 48% 0.10 2.0 Moderado
Virgem (alta cristalinidade) 58% 0.05 1.0 Baixo
Rico-em carbono (5%) 50% 0.18 3.5 Alto
Carvão-preenchido (15%) 52% 0.25 5.0 Compatibilidade de núcleo metálico muito alta
Uma vez que o Li⁺ atinge o núcleo, ele pode gerar corrosão sob tensão por hidróxido de lítio em certas ligas:

Suscetibilidade LiOH SCC de compatibilidade de metal central com Li Permeado Recomendado para serviço PWR
Sim, Incoloy 800 Baixo Bom
Extremamente baixo Excelente Sim (preferencial) Inconel 690
Titânio Grau 2: Excelente Não
Aço inoxidável 316L Alto Fraco Não
Redução de Permeação e Cristalinidade
A permeabilidade do lítio diminui bastante com o aumento da cristalinidade. Com base na cristalinidade, a espessura de parede necessária para 10.000 horas de serviço:

Li em refrigerante às 10.000 horas (meta<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 (excede) 55% 0.06 2.2 mm 1,2 ppb (marginal) 45% 0.12 3.0 mm 2,5 ppb (excede)
58% 0.05 2.0mm 1,0 ppb (aceitável)
60% 0.04 1.8 mm 0,8 ppb (bom)
Problemas com enchimento de carbono
O PFA-preenchido com carbono não é recomendado para serviços nucleares de LiOH porque:

Maior permeabilidade (3x maior)

Oxidação de carbono-em alta temperatura (formando CO2, alterando a química do refrigerante)

Possibilidade de contaminação do líquido refrigerante do reator devido à liberação de partículas de carbono

Em circuitos de refrigeração primários, polímeros condutores ou cheios-de carbono são geralmente proibidos pelos requisitos nucleares.

Efeitos da temperatura e concentração de LiOH
Permeação como acima em 120 graus. A permeação diminui em 60% a 100 graus (0,02 mg/cm²·dia para 58% de cristalinidade). A permeação triplica a 140 graus (condição perturbada). Os materiais para PWRs com controle de temperatura devem ser especificados para uma temperatura nominal de 120 graus com um buffer para perturbações de 130 graus.

Diretrizes para especificações de serviços nucleares
Use PFA virgem de alta-cristalinidade (mínimo de 58% por DSC) com núcleo Inconel 690 para 7% de LiOH a 120 graus em refrigerante primário PWR. É necessária uma espessura mínima de parede de 2,0 mm. Proibir classes contendo-carbono ou condutivas. O teste de permeação de lítio a 120 graus por 5.000 horas (extrapolado para 10.000 horas) deve ser certificado pelo fornecedor.. 2.5paredes de mm com 60% de cristalinidade são necessárias para operação nuclear contínua (ciclos de combustível de 18-meses, 13.000 horas). Manter a pureza do líquido refrigerante e minimizar a corrosão do núcleo em serviços nucleares, onde a falha do aquecedor exige o desligamento do reator, custando mais de US$ 1.000.000 por dia, justifica o prêmio para o PFA virgem de alta cristalinidade (25-35% acima do padrão). O PFA padrão com paredes de 3,0 mm e análise anual de lítio pode ser adequado para reatores de pesquisa com campanhas mais curtas.