高温He离子辐照对熔盐环境下Ni-Mo-Cr合金腐蚀性能的影响机制研究

Ni-Mo-Cr alloy is considered to be the primary option of metallic structural materials for the Molten Salt Reactor (MSR). It will be subject to the extreme environments, i.e. high temperature, high neutron doses and corrosive coolant during the operation of MSR. Taken into account that the performance of structural materials is one of the most important factors that govern the reliability of reactors, it is necessary to evaluate the performance of such kind of alloys in the complicated environments. To date, studies related to the irradiation or molten salt corrosion effects have been carried out in Ni-Mo-Cr alloy. However, the synergic effect is rarely reported. The influence of irradiation on the corrosion behavior of Ni-Mo-Cr alloys is not clear. This project is aimed to simulate the case of neutron irradiation at high temperature via helium ion irradiation technique, and investigate the irradiated Ni-Mo-Cr alloy under molten salt environment. In order to establish an effective way to evaluate the combined effects of irradiation and corrosion in the Ni-Mo-Cr alloy, the evolution of the corrosion properties of irradiated alloys will be investigated quantificationally. The microstructural, such as the behavior of helium and the coordination structure of Ni-Mo-Cr alloys in molten salt environment will be analyzed before and after irradiation, via HRTEM and synchrotron extended X-ray absorption fine structure technique. This project will clarify the synergic effect of helium ion irradiation and molten salt corrosion, and provide a solution for the evaluation of the alloy performance under working condition in the reactor.

Ni-Mo-Cr合金是熔盐堆的候选结构材料，在反应堆中面临着高温、辐照及熔盐腐蚀等多重环境的考验，其服役性能的好坏直接决定了反应堆的寿命，关乎运行安全。因此入堆前对合金进行多重环境下的性能评价至关重要。目前，国内外已针对该合金开展了辐照和熔盐腐蚀性能研究，而辐照和熔盐腐蚀综合作用下的性能研究较少，辐照对熔盐环境下合金腐蚀性能的影响机制尚不明确。本项目拟利用高温He离子辐照快速模拟中子辐照下合金的高温He行为，并将辐照后的合金在熔盐中进行静态腐蚀。通过研究He离子辐照的合金在熔盐环境中的性能演化，定量地评价辐照对合金腐蚀性能的影响，建立评价离子辐照腐蚀综合作用下的合金性能的有效方法。采用高分辨透射电镜与同步辐射XAFS技术相结合的手段，对比腐蚀及辐照腐蚀后合金的He行为和元素配位结构等微观结构演化，阐明高温He辐照效应对合金腐蚀性能的影响机制，为合金在反应堆工况条件下的性能评价提供依据。

Ni-Mo-Cr合金是第四代熔盐堆重要结构材料，在反应堆中面临着高温、辐照及熔盐腐蚀等多重环境的考验，其服役性能的好坏直接决定了反应堆的寿命，关乎运行安全。因此对合金进行多重环境下的性能评价至关重要。本项目以熔盐堆堆芯结构材料GH3535（ Ni-17%Mo-7%Cr）合金为研究对象，采用高温He离子辐照模拟中子辐照下合金的高温He行为。通过对合金进行不同剂量的辐照，再将辐照后的合金进行高温熔盐腐蚀，研究了辐照对熔盐环境下合金腐蚀性能的影响及机制。. 研究表明，高温He离子辐照在合金中引入了He泡，显著促进了合金在熔盐中的腐蚀，导致合金表面腐蚀孔洞增加，并加速了合金中Cr元素的流失，且随辐照剂量增加腐蚀程度加深。定量地表征了辐照腐蚀后合金的纳米硬度，建立了离子辐照腐蚀综合作用下评价合金性能的有效方法。辐照导致合金硬化，硬度增加；熔盐腐蚀后合金硬度下降；辐照腐蚀后合金的硬度介于两者之间，是辐照和腐蚀综合作用的结果。. 利用高分辨透射电镜研究了合金的微观结构演化，首次发现了合金中的He泡在熔盐环境下向合金表面定向迁移及长大的现象，该行为会加速合金表面孔洞的形成，从而增加合金与熔盐的接触面积，加速合金的腐蚀。同步辐射XAFS研究结构表明，辐照造成的原子离位加速了Cr近邻原子的流失，Cr与熔盐中的氧形成三价氧化物，而氧化物极易溶解在熔盐中，加速了合金腐蚀，从原子尺度揭示了高温He辐照效应对合金腐蚀性能的影响机制，为合金在反应堆工况条件下的性能优化和评价提供了依据。