科學島團隊在小型鉛基堆材料腐蝕研究方面取得新進展
2022-06-20 11:31:20
作者：腐蝕與防護 來源：腐蝕與防護
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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理研究方面取得新進展，該研究成果已發表在國際腐蝕領域知名期刊Corrosion Science上。
小型核反應堆具有功率穩定、安全可靠、結構緊湊等優點，在海洋動力、區域供電、海水淡化等領域具有很好的應用前景。以液態鉛鉍合金作為主冷卻劑的鉛冷快堆在小型化方面具有獨特的優勢：堆芯緊湊、核熱傳輸效率高、輔助系統簡單。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，鋼鐵材料可能發生均勻的氧化腐蝕或溶解腐蝕，同時局部區域也可能出現鉛鉍滲透和點蝕現象。點蝕是破壞性和隱患性最大的腐蝕形態之一，會嚴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構材料。當溫度≥450 ℃，且氧濃度≥10-6 wt%時，一般認為鐵/馬鋼在鉛鉍合金中會形成氧化膜，包括磁鐵礦層、尖晶石層和內氧化層。近期研究發現鐵/馬鋼在鉛鉍中腐蝕后，氧化膜可能具有更復雜的亞結構及元素分布特性，而這些復雜的亞結構和元素分布可能是造成鐵/馬鋼發生點蝕的重要原因。
該工作研究了鐵/馬鋼在氧控鉛鉍環境腐蝕后表面氧化膜的亞結構，發現：磁鐵礦表面局部區域存在蜂窩狀組織，該組織由貧氧孔洞和網狀枝干組成（圖1）。
圖1 鐵馬鋼表面磁鐵礦局部區域的蜂窩狀組織
低的氧濃度可以促進蜂窩狀組織在更短的時間和更多的區域形成。隨著腐蝕時間的增加，孔洞尺寸增大、貧氧區和貧鐵區面積均增大。
經2000小時的腐蝕，貧氧區延伸至孔洞下方的磁鐵礦層和尖晶石層，導致上述層存在大量氧空位（圖2），將誘發點蝕的形成，并促進點蝕坑的長大。
分析認為蜂窩狀組織的形成可能是因為磁鐵礦表面高能量的局部區域在氧濃度變得較低后發生溶解。
該研究進展表明，鐵/馬鋼表面氧化層中蜂窩狀組織的存在意味著所在區域鉛鉍溶解氧濃度較低，可能誘發點蝕。為避免蜂窩狀組織的形成，有必要優化氧控系統的設計。
該研究工作為小型鉛冷快堆的設計提供了重要參考。
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。
該項研究工作得到國家重點研發計劃、中國科學院青年創新促進會及國家自然科學基金項目的資助。文章鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X22003286
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