铅冷堆不锈钢腐蚀机理新发现

斯德哥尔摩KTH皇家理工学院的一个研究团队报告称，不锈钢在液态铅中的腐蚀始于钢表面形成一层超薄液态铅膜，厚度仅约一微米。这层薄膜驱动钢界面处的快速溶解，有助于解释当钢暴露于液态铅时观察到的急剧增加的降解速率。

这项发表在《腐蚀科学》期刊上的工作解决了铅冷堆面临的核心材料挑战。液态铅对传统结构钢具有强腐蚀性，因此开发更具抗腐蚀性的钢种和复合结构已成为依赖铅作为冷却剂的核系统的关键要求。

该研究检查了一种称为AISI 316L的奥氏体不锈钢合金，这种合金因其在高温下的机械强度以及适用于复杂反应堆部件的制造和焊接而被广泛应用于水冷核设施。该合金含有大量的镍以及铬和其他元素，这赋予了它在许多当前反应堆设计中使用的奥氏体结构。

研究人员发现，当暴露于液态铅时，奥氏体结构在元素尺度上不稳定，而不是形成稳定的表面层。早期的解释表明铁素体直接在奥氏体上生长，液态铅随后渗入，但新结果表明转变始于奥氏体基体本身。

据KTH研究人员Kin Wing Wong和Peter Szakalos称，在液态铅中具有高溶解度的镍原子从钢中扩散出来并溶解到冷却剂中。剩余的铁和铬随后重组为铁素体相，但这种新形成的铁素体脆弱且多孔，形成了可以填充铅的通道。

"在流动的铅中，这些多孔的、充满铅的路径很容易被撕裂，显著加速材料损失，"Wong说。"这解释了为什么流动的液态铅以如此高的速率剥离金属——有时每年几毫米——比任何人想象的都要快。"

这些发现表明，开发一种完全抵抗液态铅腐蚀的单一奥氏体不锈钢不太可能成功。因为铅不仅停留在表面，而且渗透到钢中，从内部去除铬和镍，无论详细的成分调整如何，奥氏体结构都会逐渐分解。

相反，该团队提出，结合不同类型钢的分层或复合结构为铅冷堆提供了一条更现实的途径。在这种设计中，每一层都将提供特定功能，一种材料针对耐腐蚀性进行优化，其他材料则针对机械强度和可制造性进行优化。

Wong指出，由Szakalos在KTH开发的一类氧化铝形成铁素体钢（FeCrAl）是耐腐蚀层的候选材料。这些钢形成一层薄的自愈合氧化铝（Al2O3）膜，在高达800摄氏度的温度下在液态铅中显示出强大的耐腐蚀性，远高于铅冷堆的典型运行温度。

"当与传统奥氏体钢作为分层材料一起使用时，这些材料可以为未来的铅冷堆提供所需的持久保护，"Wong说。

研究报告：通过迁移液膜控制的非连续反应实现奥氏体在铅中铁素体化的机理洞察

摘要