碳钢材料在高放射性核废液浸泡区、气液界面区和气相区的局部腐蚀特性研究

Since nuclear power is used widely, the nuclear waste disposal has become an increasingly important issue. Permanent (deep geological) disposal of high-level liquid radioactive waste requires a long time preparation, so interim storage of the liquid waste is currently applied. Carbon steel is a promising material for the tanks used for interim storage. High-level liquid radioactive waste is alkaline solution containing large amounts of nitrate and nitrite ions and trace chloride ions, and its temperature is high due to the release of radioactive decay energy. Localised corrosion is the most detrimental for carbon steel in this environment. Nitrite is a very effective corrosion inhibitor, but the mechanism for inhibiting the initiation and growth of corrosion pits is not clear; the combination effect of nitrate and nitrite on localised corrosion is complicated, and the mechanism, which is well acknowledged and which can clearly explain experimental results, has not been published. In addition, liquid air interface and vapor phase corrosion of carbon steel has become particular concerns, but the damage it may cause is still unclear. In this project, the effects of nitrate and nitrite on pitting corrosion of carbon steel will be systematically investigated to explore the mechanism; the corrosion of carbon steel in full immersion, liquid air interface and vapor phase area will be studied to determine the conditions where carbon steel is completely passivated, and to provide sufficient solid basis for the evaluation of the material durability in this environment.

随着核能的广泛使用，核废料的处理成为越来越重要的问题。高放射性液态核废料的永久性（深层地下）存储需要相当长的准备时间，因此目前的高放废液采用临时存储的方法。碳钢是一种有应用前景的临时存储罐材料。高放废液是一种含有大量硝酸根、亚硝酸根离子以及少量氯离子的碱性溶液，由于衰减能量的释放，温度较高。碳钢在该环境中最具有危害性的腐蚀是局部腐蚀。亚硝酸根离子是一种有效的缓蚀剂，但其抑制点蚀诱发和生长的机理并不明确；硝酸根和亚硝酸根离子对局部腐蚀的综合作用比较复杂，可以解释实验现象并被广泛认可的机理没有提出。另外，碳钢在高放废液环境中的气液界面和气相区腐蚀也开始成为关注的热点，但是其对碳钢的危害也不明确。本项目通过系统研究硝酸根和亚硝酸根离子对点蚀的影响，探索其作用机理；通过对浸泡区、气液界面区和气相区的腐蚀特性研究，得到使碳钢钝化的实验条件范围，并为碳钢材料在该环境中的可靠性评估提供参考依据。

随着核能的广泛使用，核废料的处理成为越来越重要的问题，其中隐患最大的则是高放射性核废料。高放射性核废液最终将通过固化并在深层地下进行永久性存储，但该过程需要相当长的时间。目前的高放射性核废液大都采用地上或浅层地下的临时存储方式，而临时存储罐材料大多使用碳钢材料。高放废液一般为碱性，含有一定的硝酸根、亚硝酸根离子以及少量氯离子等，而碳钢在该环境中最具有危害性的腐蚀是局部腐蚀。该复杂环境中的局部腐蚀规律具有一定的特殊性：亚硝酸根离子具有很强的缓蚀性，但其在该环境中抑制点蚀诱发和生长的机理并不明确；硝酸根和亚硝酸根离子对局部腐蚀的综合作用比较复杂，目前文献中还没有提出能够被广泛认可的机理；某些条件下点蚀内部会出现腐蚀产物，但其对点蚀发展的影响规律也没有报道；碳钢在高放废液环境中的气液界面区的局部腐蚀也开始成为关注的热点，有多种假说相继提出，但是其诱发机理仍不明确。本项目深入研究了高放射性核废液复杂环境中的点蚀萌生和发展规律，就点蚀内部固态腐蚀产物对点蚀萌生、发展和再钝化的影响机制进行了探索，发现其既在一定程度上抑制了点蚀生长速率，却又能够抑制点蚀的再钝化过程，进而提高点蚀稳定性和存活率，为点蚀发展模型的完善提供了重要参考；同时对氯离子、硝酸根离子和亚硝酸根离子混合条件下的点蚀规律进行了系统研究，获得了氯离子导致点蚀萌生和亚硝酸根离子导致点蚀再钝化的临界浓度，理清了各离子之间的相互作用与竞争机制；绕过目前的技术瓶颈，发明了可任意改变空气组分的密封容器，用于研究核废液条件下的气液界面腐蚀规律，提出了CO2降低液面局部pH值诱导弯月面处点蚀萌生的作用机制，并为气液界面局部腐蚀防护提供了参考方案。本项目的研究成果达到了立项时的预期目标，各项指标已完成，并为碳钢材料在高放射性核废液环境中的局部腐蚀研究和可靠性评估提供了重要的参考依据。