超临界水冷堆候选结构材料微观缺陷及腐蚀特性的正电子湮没谱学研究

As one of six most promising candidate Generation IV fission reactors, the supercritical water-cooled reactor (SCWR) operates above the thermodynamic critical point of water (374℃，22.1MPa). The structural materials, especially the reactor core components such as fuel cladding materials, will suffer very aggressive oxidizing corrosion and severe neutron irradiation. Austenitic stainless steels due to their excellent corrosion resistance and ferritic/martensitic steels because of their resistance to void swelling have been recommended as candidate materials for the SCWR. However, the excellent corrosion resistant materials could not meet the demand of high dose neutron irradiation resistance requirement for the SCWR; the good irradiation resistance steels are also weak in the corrosion resistance ability. This project will use FeCrNi and FeCr model alloys as the main research materials, which are the main content of austenitic steel and ferritic/martensitic steel, respectively. Meanwhile, the commercial 316L austenitic steel and P92 ferritic/martensitic steel were used as the comparison. Positron annihilation spectroscopy will be used in experiment, and by associating with SEM, TEM and XPS as analytical tools. We will study the effect of irradiation on corrosion behavior and the irradiation damage in corrosion oxide film, and explore the mechanism of interaction between irradiation and corrosion in supercritical water.

作为六种第四代候选先进反应堆之一的超临界水冷堆，其工况环境在水的临界点（374℃，22.1MPa）之上。超临界水极强的腐蚀性和高剂量中子辐照对结构材料尤其是燃料包壳等核心构件材料提出较高的要求。耐腐蚀性较好的奥氏体不锈钢和抗辐照性能较好的铁素体/马氏体不锈钢被列为超临界水冷堆的候选结构材料。研究表明，常用的耐腐蚀材料不具有较好抗中子辐照性能；常用的抗辐照材料往往不具有耐腐蚀性能。本项目以奥氏体钢主体材料FeCrNi合金和铁素体/马氏体钢主体材料FeCr合金为主要研究材料，并用316L不锈钢和P92不锈钢做对比研究。项目以研究材料微观缺陷和微量元素掺杂的特色正电子湮没谱学技术为主，结合扫描电镜技术、透射电镜、X射线光电子能谱等测试技术，重点研究微观缺陷对合金材料在超临界水腐蚀行为的影响和金属材料腐蚀后导致其抗辐照性能的变化规律，探索辐照与超临界水腐蚀相互作用的机理。

本项目以超临界水冷堆候选结构材料为研究背景，极强的水腐蚀环境和高剂量的辐照对结构材料提出较高的要求。选用耐腐蚀性较好的316奥氏体不锈钢和抗辐照性能较好的P92铁素体/马氏体不锈钢为研究对象，以研究材料微观缺陷特色正电子湮没谱学技术为主，结合扫描电镜技术、透射电镜、同步辐射X射线等表征技术，重点研究P92铁素体/马氏体不锈钢和奥氏体316不锈钢中微观缺陷的演变规律，腐蚀缺陷与腐蚀产物的关系，以及辐照对腐蚀影响，探索辐照与腐蚀行为的相互作用机理，拓展并初步建立正电子湮没谱学技术对腐蚀氧化膜表征分析方法。主要有两方面的研究发现：一、Fe离子辐照P92合金，产生大量的辐照缺陷导致S参数的升高，S参数随辐照剂量的增大而增加，辐照温度的提高可有效的回复辐照缺陷，降低S参数；P92钢在300℃/10Mpa高温高压水腐蚀后出现双层腐蚀膜结构，外层主要为磁铁矿且结构相对致密，内层膜为相对疏松的富含磁铁矿和FeCr为主的尖晶石型氧化物；P92钢的辐照腐蚀实验表明辐照可以加速腐蚀行为，相比只有腐蚀的样品，辐照腐蚀样品内层膜的S参数进一步增大，且外层膜出现裂纹现象，这说明辐照加速了腐蚀缺陷的产生。二、在Fe离子辐照316不锈钢中同样发现辐照剂量的增加加剧辐照缺陷的产生，辐照温度的增加可以回复辐照缺陷，但是相同辐照温度下S参数的回复效果明显弱于P92合金；316钢在300℃/10Mpa高温高压水腐蚀后产生赤铁矿和尖晶石结构，并伴随着的大量的腐蚀缺陷的产生；相比只有腐蚀的样品，316钢辐照腐蚀实验表明随着辐照剂量的增加，腐蚀膜外层的氧化颗粒密度明显增加且氧化颗粒逐渐连在一起，Fe离子辐照加速的316奥氏体不锈钢氧化膜的形成。因此，抗辐照性能较好的P92铁素体/马氏体钢中辐照加速腐蚀缺陷的形成，抗腐蚀性能较好的316奥氏体不锈钢中辐照加速腐蚀氧化膜的形成。