超临界水冷堆溶解氧对奥氏体不锈钢应力腐蚀敏感性影响及水化学对策研究

Supercritical water reactor (SCWR) is considered the new generation reactor for its high heat efficient and comparatively structure. However, the operation temperature and pressure of SCWR is greatly enhanced that increases sensitivty of stress corrosion cracking (SCC) of cladding and structure materials. Most of materials reliably used in PWR or BWR may not be competent for SCWR due to high corrosion rate. Austenitic steel is hopeful for its low general corrosion rate and low cost. However, Austenitic steel wil experience SCC failures in SCW and should be qualified before application. This project is proposed for qualification of effect of SCWR water chemistry on SCC properties of candidate cladding materials. 310S and HR3C will be tested in SCW with different dissoved oxygen content to simulate oxidation chemistry environment caused by radiolysis in the core. Low content hydrogen water chemistry will be qualified to find inhibition effect on SCC of autenitic steel. The mechanism of SCC in SCW will be investigated and the data will be used for screening and otimization of candidate alloy and water chemistry control of SCWR.

奥氏体不锈钢是超临界水冷堆燃料元件包壳的候选材料，堆芯冷却剂受辐照分解形成的氧化性化学产物将对其构成应力腐蚀威胁，需进行充分评估并采用相应的水化学对策予以控制。本课题拟选取310S和HR3C奥氏体不锈钢作为研究对象，模拟超临界堆芯内氧化性水化学工况，测试并分析超临界水中的氧浓度对奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂敏感性的影响规律和机理，并通过试验研究在超临界条件下运用低浓度注氢水化学方法对于降低应力腐蚀敏感性的效果和机理，研究成果将用于超临界水冷堆水化学方案设计以及燃料包壳材料研制。

奥氏体不锈钢是超临界水冷堆燃料元件包壳的候选材料，堆芯冷却剂受辐照分解形成的氧化性产物将对其构成应力腐蚀威胁，需进行充分评估并采用相应的水化学对策予以控制。研究选取 310S 和 HR3C 奥氏体不锈钢作为研究对象，模拟超临界堆芯内氧化性水化学工况，测试并分析超临界 水中的氧浓度对奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂敏感性的影响规律和机理，并通过试验研究在超临界条件 下运用低浓度注氢水化学方法对于降低应力腐蚀敏感性的效果和机理，用于超临界水冷堆 水化学方案设计以及燃料包壳材料研制。拟临界区水质试验揭示，采用中性注氧水质的冷却剂在拟临界温区将产生离子隐匿和隐匿返回行为，385.8ºC为该化学行为的临界点，在该临界点产生电导率峰值，并且与溶解氧浓度呈线性递增关系。离子迁移浓度随温度升高而降低，在临界点附近监测到最高离子迁移浓度，其中铬元素释放浓度随氧浓度增加而增大。慢应变速率拉伸试验表明，310S在拟临界温区的应力腐蚀敏感度较低，断裂模式为穿晶开裂和塑性断裂的混合模式， 310S与HR3C在620ºC除氧及注氧水化学条件下的断裂模式转变为沿晶开裂模式，提高溶解氧浓度降增大了应力腐蚀开裂敏感性。微观分析发现这两种材料在620ºC均产生了高温时效行为，沿晶界析出富铬碳化物，形成应力腐蚀裂纹源，溶解氧则促进晶界贫铬区的氧化腐蚀，加速沿晶应力腐蚀开裂。恒应变速率拉伸试验表明注入氢未能显著降低310S在超临界水中的应力腐蚀开裂敏感性，高浓度的氢在超临界温度下向不锈钢基体扩散加剧，导致材料发生应力腐蚀开裂的热力学倾向增大。应力腐蚀裂纹扩展速率试验进一步揭示，提高溶解氧浓度和温度将加速裂纹扩展速率，在400ºC～500ºC注氢可缓解裂纹的氧化腐蚀，降低310S的应力腐蚀裂纹扩展速率，但不能改变不锈钢的沿晶应力腐蚀失效模式，对于降低应力腐蚀敏感性的效果不明显。通过改进材料高温时效问题，结合运用注氢水化学工艺，消除超临界温度下氢渗透对材料组织的不利影响，将有望降低超临界水冷堆堆芯不锈钢部件的应力腐蚀风险。