Le défi des dépôts de borate
Les réacteurs à eau sous pression utilisent de l'acide borique dans le liquide de refroidissement primaire pour contrôler la réactivité. La concentration en bore varie de 2 000 ppm au début du cycle du combustible à près de zéro à la fin. Les échangeurs de chaleur du système de contrôle chimique et de volume traitent l'eau borée à des températures de 50 à 150 degrés. Lorsque l'eau borée est chauffée ou concentrée, l'acide borique peut cristalliser sous forme de tartre de borate sur la surface d'échange thermique.
Le tartre de borate n'est pas seulement un problème de transfert de chaleur-c'est un problème chimique du réacteur. Le bore est un absorbeur de neutrons. Les dépôts de borate sur la surface de l'échangeur thermique modifient l'équilibre neutronique local, affectant potentiellement la répartition de la puissance du réacteur. Le tartre doit être éliminé par dissolution à l'eau chaude, ce qui interrompt le fonctionnement du réacteur.
Les échangeurs de chaleur métalliques-acier inoxydable, inconel-accumulent du tartre de borate à la surface. Le tartre se lie à l’oxyde métallique par le biais d’interactions de groupes hydroxyles. La surface du métal chaud entraîne une augmentation locale de la concentration qui déclenche la cristallisation.
Les échangeurs de chaleur en PTFE résistent au tartre de borate grâce à l'inertie de leur surface. Le fluoropolymère n'a pas de groupes hydroxyle pour la liaison borate. La température de paroi plus basse réduit l'effet de concentration locale. L'échelle ne se forme pas.
Le mécanisme de cristallisation de l’acide borique
L'acide borique (H₃BO₃) est soluble dans l'eau à environ 50 g/L à 25 degrés et 100 g/L à 100 degrés. La solubilité augmente avec la température. Lorsque l'eau borée est chauffée à la surface de l'échangeur de chaleur, l'acide borique devient plus soluble - pas moins. La cristallisation ne se produit pas à cause de l'augmentation de la température mais de l'augmentation de la concentration lorsque l'eau s'évapore à la surface chaude. La couche limite s'enrichit en acide borique au-delà de la limite de solubilité. Des cristaux d'acide borique précipitent à la surface.
Sur une surface métallique, les cristaux d'acide borique se lient par liaison hydrogène : les groupes B-OH sur l'acide borique interagissent avec les groupes M-OH sur l'oxyde métallique. Le lien est fort. L'échelle augmente grâce aux dépôts continus.
Le PTFE n'a pas de groupes M-OH. L'acide borique ne trouve aucun partenaire de liaison. Les cristaux qui se forment dans la couche limite restent sous forme de particules dans l'eau et sont emportés par l'écoulement.
| Paramètre d'échelle de borate | Acier inoxydable | Inconel 600 | PTFE |
|---|---|---|---|
| Surface -Groupes OH pour la liaison borate | Oui (oxyde) | Oui (oxyde) | Aucun |
| Adhérence du tartre d’acide borique (relative) | 1,0 (référence) | 0.8-1.0 | 0.05-0.1 |
| Méthode de détartrage | Dissolution à l'eau chaude | Eau chaude | Chasse d'eau |
| Impact de l'échelle sur la balance neutronique | Oui (bore en échelle) | Oui | Aucun (pas d'échelle) |
La considération de l’environnement radiologique
Le liquide de refroidissement primaire est radioactif-il contient des produits de corrosion activés et du tritium. L'échangeur de chaleur du système de contrôle chimique et volumétrique fonctionne dans un champ de rayonnement de 10²-10⁴ Gray/an. La tolérance aux radiations du PTFE est limitée-dégradation mécanique significative à des doses cumulées supérieures à 10⁴-10⁵ Gray. Pour les sections à faible dose du CVCS, le PTFE offre une durée de vie adéquate. Pour les sections à dose plus élevée proches de la cuve du réacteur, des échangeurs métalliques peuvent être nécessaires malgré le problème de tartre.
La prise en compte des rayonnements doit être évaluée au cas-par-cas. Dans les -régions à dose inférieure du CVCS-l'échangeur de chaleur de décharge, le chauffage d'appoint à l'acide borique-PTFE offre à la fois une résistance au tartre et une tolérance aux rayonnements adéquate. Le choix du matériau est déterminé par le débit de dose spécifique au lieu d'installation.
La préservation de la pureté chimique
La chimie du liquide de refroidissement nucléaire est étroitement contrôlée. Les échangeurs de chaleur métalliques libèrent des ions métalliques traces-fer, chrome, nickel-dans le liquide de refroidissement. Ces métaux s'activent dans le flux de neutrons et deviennent des produits de corrosion radioactifs. Ils se déposent dans le cœur du réacteur, créant des points chauds de rayonnement. Le PTFE ne libère aucun ion métallique. Le liquide de refroidissement reste exempt de produits de corrosion activés dérivés de l'-échangeur de chaleur-. Le débit de dose dans l’installation est d’autant plus faible.
Résumé
Les échangeurs de chaleur en PTFE résistent au tartre de borate lors du chauffage du liquide de refroidissement primaire nucléaire grâce à une surface non adhésive qui empêche l'adhésion des cristaux d'acide borique. L'absence de libération d'ions métalliques réduit la génération de produits de corrosion activés-un avantage significatif pour la gestion des rayonnements des centrales nucléaires. La tolérance aux radiations limite le PTFE aux sections à faible dose du système de refroidissement, où il offre à la fois une résistance au tartre et une durée de vie acceptable. Pour les applications CVCS dans la plage de doses appropriée, le PTFE offre des avantages opérationnels et radiologiques.
Une assistance technique pour les spécifications des échangeurs de chaleur nucléaires en PTFE est disponible sur présentation de la concentration en bore, de la chimie du liquide de refroidissement, du débit de dose de rayonnement et des procédures actuelles de gestion du tartre.
