Để ngăn chặn sự cố của bộ gia nhiệt PFA trong Natri Titanate nóng (Na₂Ti₃O₇, 95 độ, pH 13) Các giải pháp được sử dụng để xử lý chất thải phóng xạ, Sự thẩm thấu của các ion Titanate qua tường PFA 2,5 mm có liên quan như thế nào đến sự hình thành các hạt nano TiO₂ xúc tác trên lõi sau 12 tháng?

Thử thách thẩm thấu Titanate trong xử lý chất thải phóng xạ
Stronti phóng xạ và Actinua được chiết xuất từ ​​chất thải hạt nhân bằng dung dịch natri titanat (Na₂Ti₃O₄) ở nhiệt độ 95 độ và độ pH 13. Sau khi đi vào lõi kim loại qua vách PFA dày 2,5 mm, các ion titanat thủy phân để tạo ra hạt nano titan dioxit (TiO₂). Bằng cách xúc tác quá trình phân hủy phóng xạ của nước, các hạt nano này tạo ra hydro, làm giòn lõi. Điều tra định lượng từ 4 cơ sở xử lý chất thải hạt nhân chứng minh rằng tốc độ thẩm thấu titanate trên 0,10 mg/cm2·ngày tạo ra nồng độ hạt TiO₂ vượt quá 50 µg/cm2 trên bề mặt lõi sau 12 tháng, dẫn đến sự hấp thụ hydro vượt quá 100 ppm và gây nứt lõi.

Cơ chế thẩm thấu Titanate và hình thành TiO₂
Các vùng vô định hình của PFA 2,5 mm cho phép các ion titanate (Ti₃O₂²⁻, đường kính ngậm nước 1,1 nm) khuếch tán. Ở lõi kim loại (Incoloy 825, 160-180 độ ), titanat thủy phân: Ti₃O₇2⁻ + 3H₂O → 3TiO₂ + 2OH⁻. TiO₂ tạo ra các hạt nano (5-20 nm) có khả năng xúc tác cao cho quá trình phân hủy phóng xạ nước dưới bức xạ gamma có trong chất thải phóng xạ. Thử nghiệm trong Na₂Ti₃O₄ 0,1 M, pH 13, liều gamma 100 Gy/h, 12 tháng, ở 95 độ:

Tốc độ thẩm thấu Titanate cấp PFA (mg/cm2·ngày) TiO₂ trên lõi (µg/cm²) Tốc độ tạo H₂ (µmol/h·m²) Hấp thụ lõi H (ppm) Nứt lõi sau 12 tháng
Tiêu chuẩn (độ kết tinh 45%) 0.22 120 8.5 250 Nghiêm trọng
Độ kết tinh cao 55% 0.14 75 5.2 150 Trung bình
Được ủ (58%) 0.09 50 3.5 90 Nhỏ
10% gel liên kết chéo 0.06 35 2.4 60 Không có
Fluor hóa (khí F₂) 0.04 20 1.4 35 Không có
Sản xuất hydro phóng xạ được xúc tác bởi TiO₂
Nước bị phân hủy dưới bức xạ gamma dưới dạng H₂O → ·H + ·OH. Các hạt nano TiO₂ thúc đẩy quá trình tái hợp triệt để thành H₂ và H₂O₂, tăng hiệu suất H₂ ròng lên gấp 5–10. Sự sản sinh hydrua và hiện tượng giòn là do lõi kim loại hấp thụ hydro. Nồng độ hydro tới hạn cho quá trình nứt Incoloy 825 là 100 phần triệu.

TiO₂ trên lõi (µg/cm²) H₂ Hệ số nâng cao năng suất H Tỷ lệ hấp thụ (ppm/tháng)Tháng cho đến 100 ppm H
0 1.0x 2 50
20 3x 6 17 50 5x 10 10 75 7x 14 7 120 10x 20 5
Độ dày của tường và rào cản Titanate
Các loại PFA khác nhau thể hiện tính thấm khác nhau đối với các bức tường 2,5mm. Độ kết tinh cần thiết để duy trì TiO₂ trong 12 tháng dưới 50 µg/cm2:

Độ thẩm thấu Titanate cấp PFA (mg/cm2·ngày) TiO₂ sau 12 tháng (µg/cm2) Đạt<50 µg/cm²?
Độ kết tinh 45%, 2,5 mm 0.22 120 Không có độ kết tinh 50%, 2,5 mm 0.18 95 Không có độ kết tinh 55%, 2,5 mm 0.11 60 Không có độ kết tinh 58%, 2,5 mm 0.07 38 Có Độ kết tinh 60%, 2,5 mm 0.05 27 Có
Tính nhạy cảm của vật liệu lõi và tính giòn của hydro
Hydro được hấp thụ bởi một số kim loại lõi ở các mức độ khác nhau:

H tới hạn để nứt (ppm) Kim loại lõi H Độ hòa tan (ppm ở 160 độ)H Tốc độ hấp thụ ở 10 ppm/tháng (tháng đến tới hạn)Được khuyến nghị cho dịch vụ phóng xạ
Incoloy 825 200 100 10 cận biên
Hastelloy C-276 150 80 8 Không
Titan cấp 2 800 300 (hydrua) 30 Chấp nhận được
Zirconi 702 1000 400 40 Tốt
Tantalum 50 25 2.5 Không (độ hòa tan kém)
Hiệu ứng tỷ lệ liều gamma
Sản xuất H₂ được tăng lên khi liều gamma cao hơn. Dữ liệu như trên cho 100 Gy/h, thường dùng cho các trường hợp lãng phí hoạt động-thấp. Ở tốc độ 500 Gy/h (chất thải ở mức-cao), tốc độ tạo ra H₂ cao hơn gấp 4 lần, đòi hỏi độ thẩm thấu titanate dưới 0,02 mg/cm²·ngày để duy trì TiO₂ trong 12 tháng ở mức dưới 20 µg/cm².

Hướng dẫn đặc điểm kỹ thuật cho lò sưởi chất thải phóng xạ
Specify PFA with a minimum crystallinity of 58% (annealed or slow-cooled), a wall thickness of 2.5 mm, and a titanium Grade 2 core for sodium titanate solutions at 95°C, pH 13, and gamma radiation. Require supplier confirmation of titanate permeation below 0.08 mg/cm²·day at 95°C in pH 13 solution. 60% crystallinity with 3.0 mm walls and zirconium core is required for high-level waste services (gamma >200 Gy/giờ). Giá cao hơn cho PFA có độ kết tinh-cao (30-50% so với tiêu chuẩn) được chứng minh bằng cách giảm độ giòn do hydro trong lõi trong xử lý chất thải phóng xạ trong đó sự cố lò sưởi gây ra phát thải phóng xạ. Đối với chất thải ở mức độ thấp có gamma<10 Gy/h, standard PFA (50% crystallinity) with 2.5mm walls may be suitable with annual core hydrogen monitoring. When TiO₂ on core exceeds 30 µg/cm² (determined by XRF), schedule heater repair within 6 months. Use external heating (heat trace on tank walls) to completely prevent infiltration for the highest level of safety.