小型鉛基堆材料腐蝕研究新進展

　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院核能安全技術研究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。相關研究成果發表在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、海水淡化等領域頗具應用前景。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。然而，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，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≥10-6wt%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或是造成鐵/馬鋼發生點蝕的重要原因。

　　該工作探究了鐵/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）。低的氧濃度可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2000h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。分析顯示，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。研究表明，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。該研究為小型鉛冷快堆的設計提供了重要參考。

　　研究工作得到國家重點研發計劃、中學院青年創新促進會和國家自然科學基金的支持。