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溫度梯度對熔融氟化物腐蝕影響的電化學研究

    熔鹽反應堆(MSR)采用溶有易裂變材料且處于熔融狀態下的熔融氟化鹽作為核燃料, 以其固有的安全性高、熱轉化效率高、核廢料少等優點引起了全世界的關注。中國科學院于2011 年啟動了釷基熔鹽堆核能系統。然而結構材料在熔融氟化物中的腐蝕是MSR 發展面臨的一個技術瓶頸。材料在熔鹽電堆環境中腐蝕的主要表現形式為金屬的活性溶解。熔鹽體系中的微量雜質和溫度梯度是腐蝕的主要推動力。對一個封閉的恒溫體系而言,金屬溶解反應會隨著環境中水等微量雜質的消耗而完全停止。然而熔鹽存在溫度梯度時,溶解反應將會持續進行,即金屬在高溫端溶解,溶解產物向低溫端擴散,并被還原成金屬。高溫端的溶解會導致熔鹽回路管道穿孔或破裂,低溫端腐蝕產物的沉淀可能會堵塞管道或閥門,造成意外停堆,并由此引發熔鹽泄露或溫度異常升高等惡性事故,從而影響MSR的安全穩定運行。
    美國ORNL、NASA、UW 等開展了大量靜態恒溫腐蝕實驗,對不同純金屬和合金的抗熔融氟化物的腐蝕性能進行了排序,并形成了抗熔融氟化物腐蝕合金設計的基本原則,其中以Hastelloy N 合金的抗腐蝕性能最好。然而對溫度梯度對熔融氟化物的腐蝕影響方面尚缺乏系統研究,也沒有建立一種簡單、有效的研究方法。目前僅有的研究是利用復雜的熱對流回路觀察到材料在高溫端發生腐蝕失重,而在低溫端發生增重。事實上,上述腐蝕是溫度場引起的電化學腐蝕問題,即高溫端是腐蝕電池的陽極區,而低溫端是腐蝕電池的陰極區。顯然,利用高溫端與低溫端金屬的偶合,就能實現電化學原位監測溫度梯度引起的金屬溶解-再析出反應。王艷麗等建立了能調控不同溫度梯度的熔融氟化鹽電化學原位監測系統,并采用開路電位監測、動電位掃描與電偶腐蝕測量等電化學技術研究了常用熔鹽堆用結構材料GH3535、316L 及其常用合金元Ni、Mo、Fe 和Cr 在具有不同溫度梯度(700oC/600oC、700oC/650oC)的熔融(Li,Na,K)F 鹽中的腐蝕行為。研究結果表明:隨著溫度升高,各金屬及合金的腐蝕速率增大;在不同溫度梯度下,同種金屬及合金的電偶對的腐蝕因子均大于1,并隨著溫度梯度的增大,電偶腐蝕效應增強,其中Cr 的電偶腐蝕因子γ在溫度梯度為700oC/600oC 時最大,大小為3.21,表明熔鹽堆中的溫度梯度的存在造成材料的持續性腐蝕。

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2016年3月30日

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