控氧LBE腐蚀/离子辐照在F/M钢中协同作用效应及其机理研究

Liquid bismuth eutectic (LBE) cooled nuclear power plants in future present a harsh environment where structural materials degradation induced by long-term exposure to an intense neutron irradiation and liquid metal corrosion greatly threaten the safety and reliability of the nuclear energy systems. However, the synergistic effect of neutron irradiation and LBE corrosion induced deterioration of structural materials has not been solved yet up to now. Both experimental and theoretical investigations have suggested that high energy heavy ion is a powerful tool to simulate the neutrons damage in nuclear materials. Aiming at this unsolved scientific question and relying on HIRFL and our newly constructed research platform for investigating the combined effect of irradiation and corrosion, we will focus on F/M steels possibly used for future advanced nuclear facility in China to investigate the synergistic effect of neutron irradiation and LBE corrosion under controlled oxygen. Combined with theoretical calculations, the mechanism of the synergistic effect will also be explored. Through this study, we expect to achieve significant progress in this frontier field and provide scientific data and basis for selection and nationalization of the structural materials in our own future advanced nuclear energy systems.

未来液态铅铋共晶（LBE）冷却核能系统的结构材料长期工作于液态金属腐蚀、中子辐射等极端恶劣的环境中，其使役性能会不断退化，从而严重威胁核能装置的安全性和可靠性。但到目前为止，中子辐照/LBE腐蚀协同效应引起结构材料性能退化问题尚未解决。理论与实验研究表明，高能重离子束是模拟研究中子辐照损伤的有效手段。本项目针对这一尚未解决的科学问题，依托兰州重离子加速器（HIRFL）、利用新建成的离子辐照与LBE腐蚀协同作用研究实验装置、选择我国建设先进核能装置可能使用的候选结构材料F/M钢、在一定控氧条件下，模拟研究中子辐照/ LBE腐蚀在F/M钢中的协同效应，辅以计算机模拟，探索协同效应产生机理。期望通过努力，在辐照/液态金属腐蚀协同效应这一前沿领域取得重要研究成果，而且为我国将来LBE冷却核能系统中结构材料的选择和国产化提供科学数据和依据。

未来液态铅铋共晶（LBE）冷却核能系统的结构材料长期工作于液态金属腐蚀、中子辐射等极端恶劣的环境中，其使役性能会不断退化，从而严重威胁核能装置的安全性和可靠性。但到目前为止，中子辐照/LBE腐蚀协同效应引起结构材料性能退化问题尚未解决。理论与实验研究表明，高能重离子束是模拟研究中子辐照损伤的有效手段。本项目针对这一尚未解决的科学问题，主要开展如下方面的研究：.1. 控氧LBE腐蚀/离子辐照协同效应研究实验平台建设.升级改造了液态金属腐蚀/离子辐照协同作用研究实验装置（HLMIF），研发了液态金属氧控系统和测氧传感器，使HLMIF具备了氧控功能，为开展液态金属腐蚀/离子辐照协同效应实验研究提供了先进的实验条件。.2. 液态LBE/离子辐照协同作用效应实验研究.利用液态LBE与材料相容性实验平台和HLMIF，选择选择我国建设先进核能装置可能使用的候选结构材料F/M钢，系统开展了F/M钢在不同条件下腐蚀动力学研究和特定氧浓度条件下LBE腐蚀与离子辐照协同效应研究，研究表明辐照显著加速了F/M钢的LBE腐蚀效应，离子辐照使F/M钢在LBE中腐蚀层厚度增加了3-5倍。.3. 液态金属与辐照缺陷相互作用机制研究.基于第一性原理方法、分子动力学和动力学蒙特卡洛等方法研究了Fe表面的辐照损伤、FeCr基合金主要腐蚀氧化物Fe2.4Cr0.6O4中Pb、Bi和Fe原子的占据和迁移特性以及氧化层-基体界面的液态金属腐蚀特性。.综合分析实验数据和理论模拟计算结果，探讨了液态LBE/离子辐照协同作用效应的机制，认为辐照增强扩散效应是辐照加速腐蚀的主要机制。以上研究结果，为未来液态重金属冷却核能系统中结构材料的选择及新材料的研发提供了科学数据和依据。