溫度梯度對熔融氟化物腐蝕影響的電化學(xué)研究
熔鹽反應(yīng)堆（MSR）采用溶有易裂變材料且處于熔融狀態(tài)下的熔融氟化鹽作為核燃料, 以其固有的安全性高、熱轉(zhuǎn)化效率高、核廢料少等優(yōu)點(diǎn)引起了全世界的關(guān)注。中國科學(xué)院于2011 年啟動了釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)。然而結(jié)構(gòu)材料在熔融氟化物中的腐蝕是MSR 發(fā)展面臨的一個技術(shù)瓶頸。材料在熔鹽電堆環(huán)境中腐蝕的主要表現(xiàn)形式為金屬的活性溶解。熔鹽體系中的微量雜質(zhì)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(yīng)會隨著環(huán)境中水等微量雜質(zhì)的消耗而完全停止。然而熔鹽存在溫度梯度時，溶解反應(yīng)將會持續(xù)進(jìn)行，即金屬在高溫端溶解，溶解產(chǎn)物向低溫端擴(kuò)散，并被還原成金屬。高溫端的溶解會導(dǎo)致熔鹽回路管道穿孔或破裂，低溫端腐蝕產(chǎn)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(fā)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(wěn)定運(yùn)行。
美國ORNL、NASA、UW 等開展了大量靜態(tài)恒溫腐蝕實(shí)驗(yàn)，對不同純金屬和合金的抗熔融氟化物的腐蝕性能進(jìn)行了排序，并形成了抗熔融氟化物腐蝕合金設(shè)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(tǒng)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(fù)雜的熱對流回路觀察到材料在高溫端發(fā)生腐蝕失重，而在低溫端發(fā)生增重。事實(shí)上，上述腐蝕是溫度場引起的電化學(xué)腐蝕問題，即高溫端是腐蝕電池的陽極區(qū)，而低溫端是腐蝕電池的陰極區(qū)。顯然，利用高溫端與低溫端金屬的偶合，就能實(shí)現(xiàn)電化學(xué)原位監(jiān)測溫度梯度引起的金屬溶解-再析出反應(yīng)。王艷麗等建立了能調(diào)控不同溫度梯度的熔融氟化鹽電化學(xué)原位監(jiān)測系統(tǒng)，并采用開路電位監(jiān)測、動電位掃描與電偶腐蝕測量等電化學(xué)技術(shù)研究了常用熔鹽堆用結(jié)構(gòu)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(jié)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(yīng)增強(qiáng)，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(xù)性腐蝕。
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2016年3月30日
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