液态锂对包层结构材料的腐蚀性研究

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作为解决人类能源危机和环境污染的最理想的途径之一,磁约束聚变面临着很多技术和材料方面的问题。包层系统是聚变堆实现能量转换的重要组成部分,由于固态包层存在诸如氚提取和热量移除困难等问题,具备氚增殖、载运和冷却能力为一体的液态金属包层是最具有发展潜力的包层方案之一,是未来聚变电站液态金属包层的主选方案。液态锂作为一种低原子序数的材料,具有成本低,氚增殖率高、高热负荷输运能力、且与等离子体兼容性好等特点,被认为是包层模块中氚增殖剂、冷却剂以及第一壁的主要候选材料。然而,锂是化学性质活泼的碱金属,在高温情况下具有很强的腐蚀性,对包层结构材料具有一定的破坏性,为了聚变堆中液态金属包层的安全稳定地运行,开展高温液态锂对包层结构材料的腐蚀特性研究具有重要的意义。针对这一课题,本论文系统地开展了0.1 MPa氩气环境下,高温液态锂对316L不锈钢(316L SS)、CLF和CLAM低活化钢的腐蚀特性研究。分析了这些材料的腐蚀速率,材料形貌和成分的微观变化、以及宏观力学性能的变化等;评估了液态锂与这些材料的相容性。主要研究结论有:(1)316L SS在液态锂中发生以Cr和C元素为主的质量溶解,质量损失为2.5×10-4(±6.8×10-5)g,质量损失速率在mg/(m2﹒h)的数量级,年腐蚀深度在μm量级,耐腐蚀等级分别为Ⅰ级完全耐蚀;在液态锂中由于Cr和C元素发生化学反应,316L SS表面生成了少量Cr7C3和Cr23C6的沉积物,造成表面硬度上升;因为Cr和C元素的溶解和CrxCy等碳化物的形成,导致液态锂沿晶界向样品内部渗透,造成316L SS表面发生晶间腐蚀;由于元素的选择性溶解,导致样品发生了非均匀腐蚀和孔蚀,表面呈现出素消耗后的残余基底;通过与在同等实验条件下的304不锈钢(304 SS)对比,发现316L SS比304 SS更耐液态锂腐蚀;(2)在不同的实验温度下,CLF和CLAM钢在液态锂中的腐蚀表现也存在差异。在600 K的液态锂腐蚀实验中,CLF和CLAM钢均发生了轻微的质量损失,质量损失均在mg量级,腐蚀深度速率分别为6.3×10-4 mm/a和6.4×10-4 mm/a,耐腐蚀等级均为Ⅰ级完全耐蚀,在样品表面可以观察到腐蚀产物,并且沿晶界分布;在800 K的液态锂腐蚀实验中,CLF和CLAM钢出现了质量增长,质量增长速率分别为1.7×10-3g/(m2﹒h)和3.9×10-3g/(m2﹒h),CLF钢样品表面观察不到基底层,已经被附着物所覆盖,而CLAM钢表面的附着物形状规则,可以通过附着物的间隙看到样品基底层,基底层可以看到沿晶界分布的腐蚀产物;EDS检测结果中显示不同实验温度条件下的样品表面均存在Ni元素,XRD结果也发现样品表面均出现了Fe Ni的新物相,说明实验装置材料发生了元素迁移,而元素迁移是样品表面出现Ni元素的主要原因,通过以上实验结果可以发现元素迁移与温度有关,当实验温度升高时,元素迁移更严重,对应表面的Ni元素含量更高。通过以上的实验和研究结果,掌握了316L SS、CLF和CLAM钢在液态锂中的腐蚀行为,揭示了这些材料在液态锂中腐蚀机制,为锂及相关材料在液态金属包层中的应用提供了数据参考,并且为未来聚变堆液态锂包层潜在腐蚀安全风险提供预警。
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