סביבת הקרינה
מתקנים לעיבוד דלק גרעיני, מפעלי ייצור רדיואיזוטופים ופעולות עיקור רפואי מסוימות חושפים את ציוד התהליך לקרינה מייננת. מחליפי חום בסביבות אלה חייבים לעמוד לא רק באתגרים הכימיים של חומצה חנקתית ונוזלי תהליך אחרים, אלא גם בהשפעות המצטברות של קרינת גמא לאורך שנים של שירות.
המינון הכולל הנספג עבור מחליף חום במתקן גרעיני בפעילות בינונית- יכול להגיע ל-10⁵ עד 10⁶ אפור (10-100 MRad) במהלך חיי שירות של 10- שנים. ברמות המינון הללו, פולימרים עוברים שינויים מולקולריים משמעותיים - פיסורה או חיבור צולב - שמשנים את התכונות המכניות שלהם.
ETFE (אתילן-tetrafluoroethylene copolymer) נחשב לפעמים לשירותי קרינה, משום שהמבנה המופלר חלקית שלו הוא מאמינים שהוא מציע עמידות טובה יותר לקרינה מאשר PTFE עם פלואור מלא. אמונה זו נכונה. אבל גודל ההבדל-והאם זה משנה לשירות מחליפי חום-מחייב בדיקה.
ההבדל בכימיה של קרינה
קרינה מייננת מקיימת אינטראקציה עם פולימרים על ידי הפקדת אנרגיה לאורך שרשרת הפולימר. האנרגיה מפרקת קשרים כימיים, ויוצרת רדיקלים חופשיים. גורלם של רדיקלים אלו קובע אם הפולימר מתכלה (קריעת שרשרת) או מתחזק (הצלבה).
ב-PTFE, רדיקלים המושרים-מקרינה עוברים בעיקר פיצול שרשרת. עמוד השדרה של C-C נשבר. המשקל המולקולרי יורד. לשרשראות המקוצרות יש חוזק מכני מופחת. ההשפעה היא מצטברת ובלתי הפיכה. במינון של 10⁴ Gy (1 MRad), השינויים ניתנים למדידה אך-חוזק המתיחה הקטן עשוי לרדת ב-5-10%. ב-10⁵ Gy (10 MRad), אובדן החוזק הוא משמעותי-30-50%. ב-10⁶ Gy (100 MRad), PTFE הופך שביר וחסר תועלת מכנית.
ב-ETFE, יחידות האתילן הקומונומר (-CH₂-CH₂-) בעמוד השדרה הפולימרי משנות את תגובת הקרינה. קשרי C-H ביחידות האתילן רגישים יותר להיווצרות רדיקלים מאשר קשרי C-F, אך הרדיקלים המתקבלים נוטים להצטלב במקום לעבור פיצול שרשרת. קישור צולב מגדיל את המשקל המולקולרי ויכול לשפר תכונות מכניות מסוימות. ETFE שומר על תכונות מכניות שימושיות למינוני קרינה גבוהים יותר מ-PTFE.
| פרמטר עמידות קרינה | PTFE | ETFE |
|---|---|---|
| אפקט קרינה דומיננטי | פיצול שרשרת (השפלה) | קישור צולב (ייצוב) |
| המינון שבו מתחיל שינוי מאפיינים מדידים (Gy) | ~10³ (0.1 MRad) | ~10⁴ (1 MRad) |
| מינון לאובדן חוזק מתיחה של 25% (Gy) | ~5 × 10⁴ (5 MRad) | ~5 × 10⁵ (50 MRad) |
| מינון שבו החומר הופך שביר (Gy) | ~10⁶ (100 MRad) | ~2 × 10⁶ (200 MRad) |
| חיי שירות בסביבת 10⁴ Gy/שנה (שנים) | 2-5 | 10-20 |
| סיכון לטיפול בקרינה לאחר- | גבוה (שבר שביר) | בינוני (שומר על גמישות מסוימת) |
ההקשר המעשי של שיעור המינון
יתרון ההתנגדות לקרינה של ETFE על פני PTFE הוא אמיתי אך חייב להיות ממוקם בהקשר. ברוב היישומים של מחליפי חום של מתקנים גרעיניים, קצב מינון הקרינה במיקום מחליף החום נמוך יחסית-כאשר אזורי הקרינה הגבוהים- נמצאים במקומות אחרים בתהליך.
מחליף חום הממוקם באזור עם קצב מינון של 10²-10³ Gy/שנה יצבור רק 10³-10⁴ Gy במהלך חיי שירות של 10 שנים. במינונים אלה, גם PTFE וגם ETFE שומרים על תכונותיהם המכניות בצורה נאותה. הפרש הקרינה בין שני החומרים אינו רלוונטי.
במיקומי קרינה- גבוהה שבהם המינון המצטבר לאורך חיי הציוד מתקרב או עולה על 10⁵ Gy, הבחירה בין PTFE ל-ETFE הופכת משמעותית. ETFE ישמור על שלמות מכנית זמן רב יותר. עם זאת, אפילו ETFE יתדרדר בסופו של דבר. יש לתכנן החלפת ציוד בהתבסס על צבירת המינון החזויה, ללא קשר לבחירת החומר.
שכבת ההתנגדות הכימית
עמידות לקרינה אינה קיימת בנפרד. חומר מחליף החום חייב להתנגד גם לכימיה של התהליך. בעיבוד דלק גרעיני, הכימיה הזו היא בדרך כלל הרתחה של חומצה חנקתית. PTFE עמיד ללא תנאי לחומצה חנקתית. ל-ETFE יש עמידות טובה אך לא בלתי מותנית-הוא יכול להיות מותקף על ידי חומצות מחמצנות חזקות בטמפרטורות גבוהות.
החלטת בחירת החומר חייבת לשקול את עמידות הקרינה המעולה של ETFE מול העמידות הכימית המעולה של PTFE. ברוב היישומים הגרעיניים, כימיית התהליך (התוקפת ברציפות) מהווה סיכון גדול יותר משדה הקרינה (שמתכלה באופן מצטבר). PTFE היא הבחירה הנפוצה יותר מסיבה זו.
תַקצִיר
מחליפי חום ETFE מציעים עמידות טובה יותר לקרינת גמא מאשר PTFE, ושומרים על תכונות מכניות במינונים גבוהים פי 5-10 בערך. עם זאת, ברוב מיקומי מחליפי החום של מתקנים גרעיניים, קצב מינון הקרינה נמוך מספיק כדי ששני החומרים ישרדו את חיי השירות המתוכננים של הציוד. העמידות הכימית המעולה של PTFE לחומצה חנקתית וכימיקלים אחרים בתהליך גרעיני הופכת אותו לעתים קרובות לבחירה המועדפת למרות יתרון הקרינה של ETFE. הבחירה הסופית תלויה בקצב המינון הספציפי, בכימיה של התהליך ובתכנון החלפת הציוד.
תמיכה הנדסית לבחירת חומרים בסביבת קרינה זמינה עם הגשת קצב המינון הצפוי, הרכב נוזל התהליך, טמפרטורת הפעולה וחיי השירות הנדרשים של הציוד.
