冷却水中卤族元素与溶解氧对铅-镁-铝-硼屏蔽材料腐蚀的影响机理

Pb-Mg-Al-B shielding material is a novel nuclear shielding material with excellent shielding effect and mechanical properties. The halogen element and dissolved oxygen in the reactor cooling water affect importantly on the corrosion behavior of the material. So, it is significant to study the mechanism of halogen element and dissolved oxygen on the corrosion behavior of Pb-Mg-Al-B shielding materials, further to develop new shielding materials, design the shielding and evaluate safety operation. Based the Pb-Mg-Al-B shielding material, this subject is to understand the interaction of halogens and oxygen atoms and surface including the bonding, electronic structure in-depth atomic level by the electrochemical corrosion experiments and first principles methods; then the corrosion kinetics model of Pb-Mg-Al-B shielding material is found by exploring the surface film evolution, the structural characteristics of the surface film, and the interaction mechanism among halogens, oxygen atoms and surface. It is to reveal the corrosion mechanism of Pb-Mg-Al-B shielding materials in cooling water containing halogen element and dissolved oxygen. This project can enrich the corrosion theory of this new shielding material, develop the theoretical basis of safe use under certain circumstances and corrosion protection technology.

Pb-Mg-Al-B屏蔽材料是一种新型的具有优异综合屏蔽效果和力学性能的核屏蔽材料。反应堆冷却水中的卤族元素和溶解氧对该材料的腐蚀行为有着重要影响，因此认识卤族元素和溶解氧对Pb-Mg-Al-B屏蔽材料腐蚀行为的影响规律及机理，对新型屏蔽材料的研究发展、屏蔽体的设计及运行安全性评价意义重大。项目以Pb-Mg-Al-B屏蔽材料为研究对象，借助电化学腐蚀实验技术和第一性原理相结合的研究方法，深入原子层次了解卤族元素和氧原子与材料表面的相互作用，包括键合方式、电子结构特征等。通过探讨表面膜演变规律、表面膜结构特征、卤族元素和氧原子与材料表面的相互作用机制，建立Pb-Mg-Al-B屏蔽材料的腐蚀动力学模型，揭示Pb-Mg-Al-B屏蔽材料在含卤族元素和溶解氧冷却水中的腐蚀机制。本项目的研究可以丰富该新型屏蔽材料相关腐蚀理论，为其在特定环境下安全使用以及屏蔽材料腐蚀防护技术的开发奠定理论基础。

项目针对Pb-Mg-Al-B屏蔽材料在含有卤族元素（Cl和F）和氧的水溶液中的腐蚀行为和腐蚀机制，采用计算模拟与微观表征相结合的方法，通过研究卤族元素和氧原子扩散进入材料内部后，Pb-Mg-Al-B屏蔽材料腐蚀发展趋势、表面膜的生长机制和结构特性，建立合理的卤族元素和氧与材料表面相互作用模型，并结合密度泛函理论的第一性原理模拟计算，从原子和分子层次研究卤族元素和氧原子与材料表面的相互作用以及它们对材料微观结构的腐蚀动力学规律，探索提高Pb-Mg-Al-B屏蔽材料耐蚀性的有效途径。本项目的研究可以丰富Pb-Mg-Al-B屏蔽材料相关腐蚀理论，加深人们对于Pb-Mg-Al-B屏蔽材料腐蚀电化学行为的理解，为Pb-Mg-Al-B屏蔽材料在特定环境下安全使用以及开发Pb-Mg-Al-B屏蔽材料腐蚀防护技术奠定理论基础。研究得出以下结论：.(1) B含量为1.5wt.%的合金腐蚀倾向最小，耐蚀性能最好；Pb-Mg-Al-B屏蔽材料在NaF溶液中的腐蚀速率明显小于试样在NaCl溶液中的腐蚀速率，且氧含量增大时腐蚀速率略有增加但并不显著；(2) 不同B含量的屏蔽材料的自腐蚀电位大小关系为Ecorr (0) <Ecorr (0.5) <Ecorr (2.0) <Ecorr (1.0) <Ecorr (1.5)，表明随着B含量的提高合金耐蚀性增强，但当含B量到达2.0%时，反而加速合金的电化学腐蚀；(3) 材料中的Mg17Al12 对合金腐蚀性能的影响很大，其体积分数与分布对材料的腐蚀行为至关重要，体积分数和分布较多时，能够抑制腐蚀；(4) 材料中参与反应相的费米能级大小顺序为Mg17Al12<Mg2Pb<Mg。Mg相为阳极，与Mg17Al12相为阴极构成腐蚀原电池发生反应。当合金表面的Mg相受到腐蚀减少后，Mg17Al12相为阴极，Mg2Pb相为阳极，使得Mg2Pb相发生腐蚀破坏；(5) 第一性原理对Cl和F在Mg表面的吸附结果表明，Cl和Mg原子间的相互作用能比F和Mg原子间的小，Mg (0001)表面和F原子间的键能强于与Cl的。说明镁表面上更易形成具有保护性质的氟化镁，使材料在含F溶液中的腐蚀速度比在含Cl溶液中小；(6) 可以通过减少Mg在屏蔽材料中体积分数、调整B的含量和控制Mg17Al12的组织形态和分布等途径来改善Pb-Mg-Al-B屏蔽材料的耐蚀性能。