ADS液态金属环境下结构材料溶解腐蚀的理论研究

Accelerator-driven sub-critical system (ADS) has been proved to be an efficient, safe and clean advanced nuclear power system. One of key points restricting the system achievement is that the structure materials face more severe serving enviroment relative to the traditional nuclear system, including more severe irradiation corrosion and serious liquid metal corrosion. Experiments indicate that the liquid metal corrosion depends not only on the species of liquid metals, the structure and component of materials, but also on oxygen concentration in liquid metals. This project will perform "Theoretical study on dissolution corrosion for ADS structure materials in liquid metals environments". Based on α-Fe and γ-Fe, ab initio molecular dynamics study and first-principles calculations are used to study the microscopic process of dissolution corrosion for structure materials in liquid metals and effect of oxygen on the process from coordination space; dissolution capabilities of liquid metals on structure materials and effects of structure, component and oxygen existance on the corrosion from energetic space; microscopic mechanism of the dissolution at electronic level.Through this project, we hope to reveal microscopic picture and mechanism of dissolution corrosion of liquid metals on structure materials, select alloying elements to enhance the corrosion resistance of material, and provid meaningful information for design of structure material.

加速器驱动的次临界核能系统(ADS)是目前公认的高效、安全、洁净的先进核能系统。制约该系统的关键问题之一是结构材料将面对比传统核能系统更加恶劣的服役环境--更强的辐照损伤和严重的液态金属腐蚀。实验表明液态金属腐蚀程度不仅与液态金属的种类、材料结构和合金成分有关，还与液态金属中的氧浓度有关。本项目拟开展"ADS液态金属环境下结构材料溶解腐蚀的理论研究"。以α-Fe和γ-Fe为研究对象，结合第一性原理计算和从头计算分子动力学方法，从坐标空间上研究液态金属溶解腐蚀不同结构材料的微观过程，以及氧参与腐蚀的过程；从能量空间上研究不同液态金属对结构材料的腐蚀能力，以及材料结构、合金成分和氧存在对腐蚀的影响；从电子层次揭示液态金属溶解腐蚀的微观机制。希望通过该项目的研究，揭示液态合金溶解腐蚀结构材料的微观图像和机制，筛选有利于提高材料抗腐蚀性能的合金元素，为设计抗液态金属溶解腐蚀的材料提供有意义的信息。

加速器驱动的次临界核能系统（ADS）中结构材料除了面临比传统核能系统中更强的辐照损伤，还面临严重的液态金属腐蚀。因此，本项目以bcc-Fe（马氏体钢基体）和fcc-Fe（奥氏体钢基体）为研究对象，结合第一性原理计算和从头计算分子动力学模拟方法，研究液态金属环境下两种钢溶解腐蚀的微观过程及其溶解腐蚀的影响因素，探究液态金属溶解腐蚀的微观机制，并为提高铁基结构材料抗腐蚀性能奠定理论基础。研究表明，液态金属对铁基结构材料的溶解腐蚀程度与液态金属成分、结构材料表面取向、合金成分、服役环境温度以及应变等因素密切相关。首先， bcc-Fe和fcc-Fe不同表面（100）、（110）和（111）液态金属的溶解腐蚀研究表明，铋比铅更容易吸附在铁表面上，溶解腐蚀更严重，且（111）表面腐蚀最严重。同时，铁表面合金元素对液态金属原子的吸附和溶解影响的研究表明，Si、V、Nb、Mo等有利于抑制液态金属溶解腐蚀铁基结构材料，而Al、Cr、Mn、Ni和Cu则容易被溶解腐蚀，与实验观察结果一致，可为铁基结构材料的设计提供理论依据。结合溶解腐蚀过程的铁表面微观结构、溶解能量变化以及固-液界面处电子结构，揭示铁表面（铁合金）溶解腐蚀的微观机制。此外，溶解腐蚀产物也会严重影响着液态金属的动力学行为及其中氧浓度和氧扩散机制，以及液态金属进入结构材料内部脆化。