¿Cómo resiste un intercambiador de calor de PTFE la contaminación radiactiva en el calentamiento de tanques de desechos nucleares?
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El entorno de los tanques de residuos nucleares
Los tanques de almacenamiento de residuos nucleares contienen líquidos altamente radiactivos-productos de fisión, actínidos y productos químicos corrosivos procedentes del reprocesamiento de combustible. Los tanques requieren calentamiento para evitar la precipitación, mantener la estabilidad química o preparar los residuos para la vitrificación. El intercambiador de calor dentro del tanque está expuesto tanto al campo de radiación de los desechos como al ambiente químico agresivo de la solución de desechos.
Los intercambiadores de calor metálicos-acero inoxidable, titanio y circonio-enfrentan dos desafíos en este entorno: la radiación-mejora de la corrosión inducida y la contaminación permanente de la superficie. El campo de radiación acelera las reacciones de corrosión. La superficie del metal absorbe isótopos radiactivos, lo que convierte al propio intercambiador en residuos radiactivos cuando finalmente se retira. La descontaminación es difícil y el intercambiador se convierte en un problema de eliminación.
El PTFE se comporta de manera diferente. Su tolerancia a la radiación es menor que la de los metales.-Se produce una degradación mecánica significativa en dosis acumulativas superiores a 10⁴-10⁵ Gray (1-10 MRad). Pero para las tasas de dosis típicas de los interiores de tanques de desechos (10²-10⁴ Gray/año), el PTFE proporciona una vida útil adecuada. Más importante aún, el PTFE no absorbe contaminación radiactiva en su estructura. La superficie puede descontaminarse mediante lavado químico y el intercambiador gastado no constituye una carga de residuos radiactivos significativa.
La tolerancia a la radiación del PTFE
El PTFE sufre una escisión de cadena bajo radiación ionizante. La columna vertebral del polímero se rompe, reduciendo el peso molecular. En dosis acumuladas superiores a 10⁴ Gray (1 MRad), se produce una pérdida mensurable de resistencia a la tracción y alargamiento. A 10⁵ Gray (10 MRad), el material pierde entre el 50 y el 70% de sus propiedades mecánicas. A 10⁶ Gray (100 MRad), el PTFE se vuelve quebradizo e inutilizable.
La tasa de dosis de radiación en el interior de un tanque de desechos nucleares varía según la composición y la edad de los desechos. Para residuos típicos de nivel intermedio-, la tasa de dosis en la superficie interior del tanque es de 10²-10⁴ Gray/año. Un intercambiador de calor de PTFE en este entorno acumula 10³-10⁵ Gray durante una vida útil de 10 años. En el extremo inferior de este rango, la degradación mecánica es insignificante. En el extremo superior, es posible que sea necesario reemplazar el intercambiador entre los 5 y 8 años.
| Parámetro de radiación | PTFE | Acero inoxidable | Titanio |
|---|---|---|---|
| Mecanismo de degradación de la radiación. | Escisión de cadena (debilitamiento mecánico) | Mejora de la corrosión | Mejora de la corrosión |
| Dosis para 25% de pérdida de propiedad mecánica. | ~5 × 10⁴ Gris (5 Mrad) | >10⁷ Gris (sin efecto mecánico) | >10⁷ Gris |
| Mecanismo de contaminación de la superficie. | Absorción mínima (solo superficie) | La película de óxido absorbe isótopos. | La película de óxido absorbe isótopos. |
| Eficacia de la descontaminación | Excelente (el lavado químico restaura la superficie limpia) | Pobre (los isótopos penetran la capa de óxido) | Pobre a moderado |
| Clasificación de equipos gastados | Residuos de bajo-nivel (solo contaminación superficial) | Mayor actividad (contaminación del volumen) | Mayor actividad |
La ventaja de la descontaminación
La descontaminación es la ventaja más importante del PTFE para el servicio nuclear. Las superficies metálicas absorben isótopos radiactivos en sus capas de óxido. El cesio, el estroncio y los actínidos penetran la capa de óxido y se integran en la superficie del metal. La eliminación de esta contaminación requiere un tratamiento químico intensivo-ácidos fuertes y agentes complejantes-que pueden dañar el metal. Después de la descontaminación queda actividad residual y el componente metálico debe tratarse y eliminarse como residuo radiactivo.
El PTFE no tiene película de óxido. Los isótopos radio-activos no llegan a la superficie. La contaminación se extiende sólo a la superficie molecular exterior, a unos pocos nm de profundidad. Toda la contaminación de la superficie se elimina mediante un lavado químico con ácido débil o una solución descontaminante. El PTFE descontaminado se puede re-reutilizar o desechar como basura de nivel muy bajo.
Para las instalaciones que controlan su propio inventario de desechos radiactivos, la carga reducida de desechos asociada con los componentes de PTFE proporciona un beneficio operativo y económico considerable.
La superposición para la compatibilidad química
La radiactividad no es el único problema de los residuos nucleares: también es químicamente hostil. El intercambiador de calor está expuesto al ácido nítrico de reprocesamiento, a cáusticos utilizados en la neutralización de desechos y a agentes complejantes utilizados en operaciones de descontaminación. El PTFE no reacciona con ninguna de estas sustancias a ningún pH. Los intercambiadores de calor metálicos deben elegirse para que sean compatibles con la química particular de los residuos y un cambio en la química presenta un riesgo de corrosión.
El PTFE es un material viable para aplicaciones de calentamiento de tanques de residuos debido a su resistencia a la radiación, simplicidad de limpieza y universalidad química si la tasa de dosis está dentro de su límite de tolerancia.
Resumen
Los intercambiadores de calor de PTFE son una alternativa adecuada para calentar contenedores de desechos nucleares cuando la tasa de dosis de radiación permite una vida útil suficiente. La tolerancia del material a una dosis acumulativa de 10⁴-10⁵ Gray cubre muchas aplicaciones de tanques. La principal ventaja es la descontaminación: el PTFE no absorbe isótopos radiactivos en una capa de óxido superficial. El lavado químico proporciona una superficie limpia y liberable. La carga de residuos radiactivos del intercambiador de residuos es baja. El PTFE tiene una resistencia química universal, lo que constituye un fuerte argumento a favor de su uso en aplicaciones de calentamiento de tanques de residuos nucleares.
Soporte de ingeniería del entorno de radiación Las especificaciones del intercambiador de calor de PTFE se proporcionarán al recibir los datos de tasa de dosis, residuos químicos, vida útil requerida y requisitos de descontaminación.
