以鉛鉍共晶（LBE）為冷卻劑的鉛冷快堆（LFR），由于其較高的安全性、經(jīng)濟性、核燃料增殖能力以及可嬗變放射性核素等優(yōu)點，是最具有應用前景的第四代核反應堆堆型之一，而燃料包殼材料與環(huán)境的相容性是限制LFR發(fā)展與應用的關鍵問題之一。溶解與氧化是燃料包殼材料發(fā)生液態(tài)LBE腐蝕的主要形式，合理控制液態(tài)LBE環(huán)境中的溶解氧濃度是提高其環(huán)境相容性的關鍵。

重點實驗室科研人員在中科院青年創(chuàng)新促進會（2021189）和中國科學院金屬研究所創(chuàng)新基金（2021-PY01）的共同支持下，研發(fā)了適用于液態(tài)LBE環(huán)境中的溶解氧電極及控氧系統(tǒng)，研究了550℃下液態(tài)LBE環(huán)境中浸泡時間（0~8000 h）和氧濃度（飽和氧~1.12×10-9wt.%）對燃料包殼材料—T91鋼腐蝕行為的影響規(guī)律及相應的腐蝕機理，發(fā)現(xiàn)在飽和氧液態(tài)LBE中T91鋼表面形成了由鐵鉛復合氧化物層（PF）、Fe3O4層（OOL）、Fe-Cr尖晶石層（IOL）和內(nèi)氧化區(qū)（IOZ）組成的四層氧化膜。IOZ是由基體和與基體有一定取向關系的FeCr2O4組成。總氧化膜、OOL和IOL厚度隨時間遵循冪函數(shù)規(guī)律（T=AtB）。Fe向外擴散與氧反應促進了PF和OOL的生長；氧向內(nèi)擴散與基體反應生成Fe-Cr尖晶石，促進IOL的生長。IOZ的形成歸因于氧化物/基體界面處的氧濃度太低而無法使基體完全氧化，發(fā)生了Cr的選擇性氧化。此外，由于Fe向外擴散的速度大于氧向內(nèi)擴散的速度，導致在IOL和IOZ界面處形成了多孔尖晶石帶。氧濃度的降低可以顯著降低T91鋼的腐蝕速率。在氧濃度為1.26×10-6wt.%時，T91鋼表面形成由OL和IOZ組成的雙層氧化膜，其中IOL由Fe-Cr氧化物組成，IOZ由基體和沿晶界生長的富Cr氧化物組成。當O濃度低于1.41×10-8wt.%時，T91鋼表面發(fā)生了溶解腐蝕，且氧濃度越低，溶解腐蝕越嚴重。不同的氧濃度對T91鋼在液態(tài)LBE中的腐蝕行為影響很大，合理調(diào)控氧濃度對于提高T91鋼的耐腐蝕性能至關重要。T91鋼在液態(tài)LBE中的最佳氧濃度可能在10-6 wt.%附近。相關研究結果已發(fā)表于Corrosion Science, 204, 2022, 110405。

液態(tài)LBE溶解氧電極校準曲線與控氧曲線；T91鋼在不同氧濃度（飽和氧、1.26×10-6 wt.%、1.41×10-8 wt.%、1.12×10-9 wt.%）液態(tài)LBE中暴露1000 h后氧化膜的截面形貌；T91鋼在飽和氧液態(tài)LBE中暴露200 h后形成的氧化膜的TEM分析；T91鋼在飽和氧液態(tài)LBE中腐蝕機理示意圖

（核電結構材料的環(huán)境疲勞性能評價研究組  供稿）