科學(xué)島團(tuán)隊(duì)在小型鉛基堆材料腐蝕研究方面取得新進(jìn)展
2022-06-20 11:31:20
作者：腐蝕與防護(hù) 來源：腐蝕與防護(hù)
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近日，中科院合肥研究院核能安全所姜志忠課題組在小型鉛基堆材料腐蝕行為與機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展，該研究成果已發(fā)表在國際腐蝕領(lǐng)域知名期刊Corrosion Science上。
小型核反應(yīng)堆具有功率穩(wěn)定、安全可靠、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在海洋動(dòng)力、區(qū)域供電、海水淡化等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。以液態(tài)鉛鉍合金作為主冷卻劑的鉛冷快堆在小型化方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：堆芯緊湊、核熱傳輸效率高、輔助系統(tǒng)簡單。但是由于Fe、Cr和Ni等金屬元素在高溫鉛鉍合金中具有較高的溶解度，鋼鐵材料可能發(fā)生均勻的氧化腐蝕或溶解腐蝕，同時(shí)局部區(qū)域也可能出現(xiàn)鉛鉍滲透和點(diǎn)蝕現(xiàn)象。點(diǎn)蝕是破壞性和隱患性最大的腐蝕形態(tài)之一，會(huì)嚴(yán)重影響小型鉛冷快堆的長期安全服役。
鐵素體/馬氏體鋼（鐵/馬鋼）是鉛冷快堆的重要候選結(jié)構(gòu)材料。當(dāng)溫度≥450 ℃，且氧濃度≥10-6 wt%時(shí)，一般認(rèn)為鐵/馬鋼在鉛鉍合金中會(huì)形成氧化膜，包括磁鐵礦層、尖晶石層和內(nèi)氧化層。近期研究發(fā)現(xiàn)鐵/馬鋼在鉛鉍中腐蝕后，氧化膜可能具有更復(fù)雜的亞結(jié)構(gòu)及元素分布特性，而這些復(fù)雜的亞結(jié)構(gòu)和元素分布可能是造成鐵/馬鋼發(fā)生點(diǎn)蝕的重要原因。
該工作研究了鐵/馬鋼在氧控鉛鉍環(huán)境腐蝕后表面氧化膜的亞結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)：磁鐵礦表面局部區(qū)域存在蜂窩狀組織，該組織由貧氧孔洞和網(wǎng)狀枝干組成（圖1）。
圖1 鐵馬鋼表面磁鐵礦局部區(qū)域的蜂窩狀組織
低的氧濃度可以促進(jìn)蜂窩狀組織在更短的時(shí)間和更多的區(qū)域形成。隨著腐蝕時(shí)間的增加，孔洞尺寸增大、貧氧區(qū)和貧鐵區(qū)面積均增大。
經(jīng)2000小時(shí)的腐蝕，貧氧區(qū)延伸至孔洞下方的磁鐵礦層和尖晶石層，導(dǎo)致上述層存在大量氧空位（圖2），將誘發(fā)點(diǎn)蝕的形成，并促進(jìn)點(diǎn)蝕坑的長大。
分析認(rèn)為蜂窩狀組織的形成可能是因?yàn)榇盆F礦表面高能量的局部區(qū)域在氧濃度變得較低后發(fā)生溶解。
該研究進(jìn)展表明，鐵/馬鋼表面氧化層中蜂窩狀組織的存在意味著所在區(qū)域鉛鉍溶解氧濃度較低，可能誘發(fā)點(diǎn)蝕。為避免蜂窩狀組織的形成，有必要優(yōu)化氧控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
該研究工作為小型鉛冷快堆的設(shè)計(jì)提供了重要參考。
圖2 在500℃、氧濃度為10-7wt%的鉛鉍中腐蝕2000小時(shí)后，鐵馬鋼氧化膜的截面形貌。 紅色圓圈1和2是蜂窩狀組織的孔洞。
該項(xiàng)研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)及國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。文章鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X22003286
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