放射線環境
核燃料再処理施設、放射性同位元素製造工場、および特定の医療滅菌作業では、プロセス機器が電離放射線にさらされます。このような環境の熱交換器は、硝酸やその他のプロセス流体の化学的課題だけでなく、長年の使用によるガンマ線の累積的な影響にも耐える必要があります。
中程度の活動の原子力施設内の熱交換器の総吸収線量は、10- 年間の耐用年数にわたって 105 ～ 106 グレイ (10{6}}100 MRad) に達する可能性があります。これらの用量レベルでは、ポリマーは重大な分子変化 (鎖切断または架橋) を受け、その機械的特性が変化します。
ETFE (エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体) は、部分的にフッ素化された構造により、完全にフッ素化された PTFE より優れた耐放射線性があると考えられているため、放射線サービス用に検討されることがあります。この信念は正しいです。ただし、その違いの大きさ-とそれが熱交換器のサービスにとって重要かどうか-については検討が必要です。
放射線化学の違い
電離放射線は、ポリマー鎖に沿ってエネルギーを蓄積することによってポリマーと相互作用します。このエネルギーは化学結合を破壊し、フリーラジカルを生成します。これらのラジカルの運命によって、ポリマーが分解 (鎖切断) するか強化 (架橋) するかが決まります。
PTFE では、放射線-によって誘発されたラジカルが主に鎖切断を受けます。 C-C バックボーンが壊れます。分子量が減少します。チェーンが短くなると機械的強度が低下します。影響は累積的であり、元に戻すことはできません。 104 Gy (1 MRad) の線量では、変化は測定可能ですが、小さな引張強度では 5～10% 低下する可能性があります。- 10⁵ Gy (10 MRad) では、強度の損失は 30 ～ 50% と大きくなります。 10⁶ Gy (100 MRad) では、PTFE は脆くなり、機械的に役に立たなくなります。
ETFE では、ポリマー主鎖内のエチレン コモノマー単位 (-CH₂-CH₂-) が放射線応答を変化させます。エチレン単位の C-H 結合は C-F 結合よりもラジカル形成を受けやすいですが、生成したラジカルは鎖切断を受けるよりも架橋する傾向があります。架橋により分子量が増加し、特定の機械的特性が向上します。 ETFE は、PTFE よりも高い放射線量に対しても有用な機械的特性を維持します。
| 放射線耐性パラメータ | PTFE | ETFE |
|---|---|---|
| 支配的な放射線効果 | チェーンの切断（劣化） | 架橋（安定化） |
| 測定可能な特性変化が始まる線量 (Gy) | ~103 (0.1 MRad) | ~10⁴ (1 MRad) |
| 引張強度が 25% 低下する線量 (Gy) | ~5 × 10⁴ (5 MRad) | ~5 × 10⁵ (50 MRad) |
| 材料が脆化する線量（Gy） | ~10⁶ (100 MRad) | ~2 × 10⁶ (200 MRad) |
| 10⁴ Gy/年環境での耐用年数 (年) | 2-5 | 10-20 |
| 放射線照射後の取り扱いリスク- | 高（脆性破壊） | 中程度（ある程度の延性を保持） |
実際の線量率の背景
PTFE に対する ETFE の耐放射線性の利点は実際にありますが、状況を踏まえて理解する必要があります。原子力施設の熱交換器用途の大部分では、熱交換器の位置での放射線量率は比較的低く、-高放射線ゾーンはプロセス内の他の場所にあります。-
線量率が 102 ～ 103 Gy/年のエリアに設置された熱交換器は、10 年間の耐用年数にわたって蓄積するのは 103 ～ 104 Gy だけです。これらの用量では、PTFE と ETFE の両方がその機械的特性を適切に保持します。 2 つの材料間の放射線の差は無関係です。
-機器の寿命にわたる累積線量が 105 Gy に近づくかそれを超える高放射線場所では、PTFE と ETFE のどちらを選択するかが重要になります。 ETFE は機械的完全性をより長く維持します。ただし、ETFE でも最終的には劣化します。機器の交換は、材料の選択に関係なく、予測される線量の蓄積に基づいて計画する必要があります。
耐薬品性オーバーレイ
放射線耐性は単独では存在しません。熱交換器の材料は、プロセスの化学薬品にも耐える必要があります。核燃料の再処理では、通常、その化学物質は沸騰した硝酸です。 PTFE は硝酸に対して無条件に耐性があります。 ETFE は優れた耐性を持っていますが、無条件ではありません-高温では強酸化性の酸によって攻撃される可能性があります。
材料選択の決定では、ETFE の優れた耐放射線性と PTFE の優れた耐薬品性を比較検討する必要があります。ほとんどの原子力用途では、プロセス化学 (継続的に攻撃する) の方が、放射線場 (累積的に劣化する) よりも大きなリスクをもたらします。この理由により、PTFE がより一般的に選択されます。
まとめ
ETFE 熱交換器は PTFE よりもガンマ線に対する耐性が優れており、約 5 ～ 10 倍の線量に対しても機械的特性を維持します。しかし、原子力施設の熱交換器の設置場所のほとんどでは、放射線量率が十分に低いため、両方の材料が装置の計画された耐用年数を生き延びることができます。 PTFE は硝酸やその他の核プロセス化学物質に対する優れた耐薬品性があるため、ETFE の放射線に対する利点にもかかわらず、PTFE が好んで選択されることがよくあります。最終的な選択は、特定の線量率、プロセスの化学的性質、および機器の交換計画によって異なります。
予想される線量率、プロセス流体の組成、動作温度、必要な機器の耐用年数を提出すると、放射線環境材料の選択に関するエンジニアリング サポートが利用可能になります。
