溶解氧影响锆合金腐蚀的规律及机理研究

锆合金是目前核动力水冷反应堆唯一的燃料元件包壳材料，锆合金的腐蚀性能是决定燃料元件使用寿命乃至反应堆运行安全性和经济性的关键因素之一。水中的溶解氧对锆合金的腐蚀行为有重要影响，而且不同的反应堆水中溶解氧含量有显著差异，因此认识溶解氧对锆合金腐蚀行为的影响规律及机理，对新型锆合金的研究发展、燃料元件的设计及运行安全性评价意义重大。. 本课题将从两方面入手开展研究：首先采用动水腐蚀试验装置，进行不同成分的锆合金在不同溶解氧含量的高温水中的长期腐蚀试验，获得溶解氧含量对不同成分锆合金腐蚀动力学的影响规律；然后通过激光拉曼谱、高分辨扫电子显微镜和透射电子显微镜、连通微裂纹及孔隙率的测定等手段，分析不同成分的锆合金在不同溶解氧含量下氧化膜的微观结构及其演变，揭示溶解氧对锆合金腐蚀行为的影响机理。

锆合金的耐水侧腐蚀性能是限制燃料元件在堆内服役寿命的关键因素之一，锆合金的腐蚀行为在很大程度上受水化学条件的影响。在反应堆运行的过程中，由于水的辐照分解效应，一回路冷却剂中不断产生溶解氧，溶解氧会加速锆合金的腐蚀。本课题研究了Zr-4、N18、N36、M5以及Zr0.4Fe1Cr合金在不同溶解氧含量的400℃/10.3MPa蒸汽以及360℃/18.6MPa水中的腐蚀行为，对氧化膜的微观结构形貌、晶体结构以及氧化膜中的孔隙和裂纹进行了分析，讨论了溶解氧含量、合金成分以及第二相粒子形貌等因素对锆合金腐蚀行为的影响。取得的主要研究成果如下：.（1）在含溶解氧的400℃/10.3MPa蒸汽以及360℃/18.6MPa水中，N36与M5合金腐蚀增重较高，N18合金次之，Zr-4与Zr0.4Fe1.0Cr合金的腐蚀增重较小，腐蚀增重随着合金中Nb含量的增加呈增加的趋势。.（2）水介质中的溶解氧会加速锆合金的腐蚀，不同合金的腐蚀行为对溶解氧的敏感性因合金成分而异，Nb含量越高的合金，其腐蚀加速行为对溶解氧含量越敏感。.（3）溶解氧会引起锆合金发生不均匀腐蚀，不含Nb与含Nb的锆合金相比，在腐蚀的不均匀性上区别不大。虽然含氧条件下含Nb的腐蚀增重更高，但Nb元素能够在一定程度上抑制疖状腐蚀的发生。.（4）锆合金氧化膜中第二相粒子与氧化锆的界面是裂纹容易产生的薄弱区域。第二相粒子的尺寸越大、第二相粒子氧化后产生的体积膨胀越大，周围的裂纹越容易扩展。.（5）在400℃/10.3MPa蒸汽中，Nb含量相同的合金，第二相粒子数量多、尺寸小的合金耐腐蚀性能相对较好，这是因为第二相粒子周围众多的小尺寸裂纹的形成降低了氧化膜中的整体应力水平，避免了大尺寸裂纹的形成。.（6）溶解氧会使得锆合金氧化膜中第二相粒子的氧化提前。对于含Nb的合金，水介质中的溶解氧会使第二相粒子的氧化产物从NbO/NbO2转变为Nb2O5，产生比除氧条件下更大的体积膨胀，第二相粒子氧化对氧化膜的破坏程度更严重，因而合金的腐蚀速率提高。.（7）四方相氧化锆向单斜相的转化提供了腐蚀过程中锆合金氧化膜演化的信息。对于N36以及M5合金，溶解氧含量的增加会促使氧化膜中四方相氧化锆向单斜相的转化，这是因为溶解氧加速了含Nb第二相粒子的氧化，松弛了其周围氧化锆基体中的应力。