辐照促进SiC材料腐蚀的机理研究

Developing high temperature resistance, radiation resistance, corrosion resistance of high-performance materials has become the key to the development of a new generation of advanced nuclear energy system. The SiC materials and SiC/SiC composites have been considered to be potential nuclear candidate materials. The SiC materials have high radiation and corrosion resistance, respectively. However, in reactors, both irradiation and corrosion have effected on the performance of materials. Recent research found that irradiation could accelerate corrosion of the SiC materials in water and molten salt environment. Therefore, the effect of irradiation and corrosion on the SiC materials becomes one key scientific issue.. In this proposal, using ion beam irradiation technique, we study the irradiation accelerated corrosion behaviors of the SiC materials in high temperature water and molten salt environment, and analyze the effect of irradiation induced defect structures on corrosion of the SiC materials, and the key environment factors to effect the corrosion of the irradiated SiC materials. And we clarify the corrosion mechanism of the irradiated SiC materials in high temperature water and molten salt environment，and provide the scientific basis for evaluation, prevention and control of irradiation and corrosion effect of the SiC materials.

耐高温、抗辐照、耐腐蚀高性能材料的研发是新一代先进核能系统发展的关键。SiC及其复合材料被认为是一种很有潜力的候选核能材料。虽然SiC材料在抗辐照和耐腐蚀方面分别具有优异的性能，但在反应堆环境中，材料面临辐照和腐蚀的共同影响。最近的实验表明，辐照会促进SiC材料在水环境和熔盐环境下的腐蚀。因此，辐照腐蚀对SiC材料的共同影响是一个必须面对的关键科学问题。. 本申请项目利用离子束辐照技术，研究辐照SiC材料在高温水和熔盐环境下的腐蚀行为，分析辐照导致的不同缺陷结构对SiC材料腐蚀的影响，以及影响辐照SiC材料腐蚀的关键因素；阐明辐照SiC材料在高温水和熔盐环境下的腐蚀机理；为评估、防护和控制SiC材料的辐照腐蚀提供科学依据。

碳化硅（SiC）材料由于其优良的高温力学性能、高温化学惰性、低感生放射性和强抗腐蚀能力，尤其是其低中子俘获截面等特性，使之成为先进核能系统熔盐堆的候选材料之一，可作为结构材料和燃料的包覆材料等。SiC在熔盐堆中面临着高温熔盐腐蚀、高剂量中子辐照等多重环境的考验，因此SiC辐照损伤的规律，以及辐照损伤对熔盐腐蚀性能的影响是不能忽视的关键科学问题。我们利用离子辐照技术和高熔盐技术研究了候选堆材料SiC辐照损伤效应和辐照损伤对SiC抗熔盐（FLiNaK）腐蚀性能的影响等方面。发现在低剂量辐照下，SiC缺陷的类型主要以点缺陷或点缺陷团簇为主；随着剂量的增加，开始出现非晶化的现象，而当辐照剂量达到2 dpa时，样品辐照损伤层完全非晶化。进一步地，其肿胀高度可以通过离子束辐照的能量、剂量、离子种类等辐照条件，实现在~1 nm到~251 nm之间的调控。我们比较了不同剂量、不同离子、不同能量与不同温度的离子辐照样品在熔盐中的腐蚀行为来研究SiC辐照腐蚀效应。发现辐照确实能促进SiC在高温熔盐FLiNaK中的腐蚀。辐照腐蚀样品表面的腐蚀脱落层的深度与辐照损伤深度基本一致。辐照SiC材料的腐蚀现象为C-C化学键和富C的形成和Si离子的流失。发现辐照促进SiC腐蚀的过程存在dpa阈值； O元素参与到辐照促进SiC腐蚀过程中，因此控制O杂质的含量是解决辐照促进SiC腐蚀的关键。为评估、防护和控制SiC材料的辐照腐蚀提供科学依据。