高放废物地质处置环境中膨润土特性与低碳钢活化/钝化行为的关系

The feasibility of low carbon steel used for manufactureing the canister of HLW geological disposal is determined by the way of anodic dissolution or passivation in the process. pH, the content of HCO3-, SO42- and Cl- of the disposal environment and the corrosion products will make influences on the tendency of anodic dissolution or passivation. Moreover, the structure of the electric double layer and the chemical composition state of corrosion products on low carbon steel are also strongly influenced by the features of ionic adsorption, ion exchange, expansion upon imbibing water and very low permeability of bentonite as the buffer material. In this project, the way of anodic dissolution or passivation of low carbon steel - GMZ sodium bentonite - artificial ground water simulating to Beishan electrode will be studied by thermodynamics of ionic adsorption, ion exchange, density measurement, electrochemical polarization, EIS and rest potential monitoring methods. XRD, SEM, EDS and XPS will be used for analyzing the evolution of the compositions and morphologies and structures of the bentonite and corrosion products of low carbon steel. It will explain the correlations between the features of GMZ sodium bentonite and the tendency of anodic dissolution or passivation of low carbon steel in Beishan geological underground water, which is the scientific basis for determining the feasibility of manufactureing the HLW canister.

低碳钢能否用做高放废物地质处置容器材料取决于其腐蚀进程中的活化/钝化方式，受处置环境的pH、HCO3-、SO42-和Cl-浓度以及表面腐蚀产物的组成和形态影响。处置罐缓冲材料膨润土的离子吸附、离子交换、吸水膨胀和低渗透特性,会极大地影响低碳钢表面双电层结构及长期腐蚀进程中腐蚀产物的组成和形态。本项目拟通过离子吸附和离子交换热力学方法、密度测量方法、电化学极化、电化学阻抗谱、腐蚀电位依时性变化的监测等法,研究低碳钢-高庙子钠基膨润土-模拟北山地下水电极系统的活化/钝化腐蚀倾向；采用XRD, SEM, EDS, XPS 方法分析腐蚀进程中膨润土、低碳钢腐蚀产物的化学组成、形貌和结构变化，说明其与低碳钢活化/钝化倾向的关系；给出膨润土对间隙水化学及低碳钢腐蚀产物组成的影响；提出高放废物处置环境下低碳钢的活化/钝化机制。为我国高放废物地质处置工程选择包装容器材料提供基础数据和应用可行性的理论判据。

高放废物地质处置多重屏障系统中，低碳钢处置容器的服役寿命主要取决于其在深地质处置环境中的耐蚀性能。本项目围绕Q235低碳钢在模拟北山地下水-高庙子膨润土体系中的活化/钝化腐蚀倾向展开工作，通过电化学阻抗谱、腐蚀电位监测等电化学方法及XRD、SEM、EDS等表征手段系统研究了高庙子钠基膨润土在模拟北山地下水溶液中的特性，及其对Q235低碳钢电极双电层结构、腐蚀产物及活化/钝化腐蚀方式的影响。同时，研究了北山地下水离子组成对Q235低碳钢在模拟地下水溶液/膨润土体系中长期腐蚀演化规律的影响。结果表明：在低浓度模拟地下水中，膨润土具有较好的吸附性和胶体分散性。随着离子浓度的增加，膨润土颗粒的ZETA电位正移，胶体稳定性下降，膨润颗粒发生聚沉。同时，离子种类和浓度及膨润土含量对介质电阻和电极表面双电层结构均有较大影响。在模拟空白溶液中, 低碳钢初始的阴极过程主要表现为氧还原的极限扩散特征，而在膨润土环境中，膨润土吸附层能有效阻挡氧在电极表面的扩散，从而使阴极还原反应速率下降。长期浸泡后，在Fe腐蚀产物电中和作用下，膨润土发生聚沉且脱离电极表面，从而使低碳钢表面的双电层电容显著增大，腐蚀速率加快。随膨润土含量增加，低碳钢的阳极溶解速率显著下降。在含Cl-体系中，膨润土沉积层还能够显著降低钢的点蚀敏感性。在除氧0.05M NaHCO3溶液中，低碳钢表面随浸泡时间延长趋于钝化；而在0.05M NaHCO3/膨润土中, 低碳钢开路电位长期保持较低数值，趋于活性溶解特征，且低碳钢的腐蚀速率显著降低。当加入0.1M Cl-时，低碳钢的开路电位随浸泡时间逐渐拉升至FeOOH稳定存在区，阴极过程主要为氧化性腐蚀产物的还原，腐蚀速率显著增大。当加入不同浓度SO42-时，开路电位在长期浸泡后仍维持在较低数值，但腐蚀速率也有所增加。项目研究结果可为我国高放废物地质处置工程提供重要的基础理论数据，对处置容器材料选择及多重屏障系统的安全评价具有重要的科学意义和工程应用价值。