聚变堆冷却回路水辐解及不锈钢的腐蚀研究

摘要

热核聚变能被认为是继裂变反应之后解决人类能源问题的途径之一。水冷却剂载热能力强，用于发电，历史悠久，技术成熟，裂变核反应堆电站的主要堆型是轻水堆（压水堆和沸水堆），建立了完整的工业体系，发展水冷包层技术风险小，可操作性性强。因此，水冷增殖包层是未来聚变堆包层系统的重要选择之一，本论文基于聚变堆中水冷包层系统的水化学问题开展了相关研究，取得了以下研究成果: 1.针对聚变堆中冷却剂辐射分解问题自主编程开发了“Water-homo”程序。该程序用于解决在反应堆运行过程中难以直接测量氧化物种浓度的问题。“Water-homo”程序改进了先前报导的水辐射分解模拟的诸多不足，与过往研究相比，该程序考虑了冷却剂在堆芯中的循环从而不简单认为冷却水一直受到照射;另外本程序中使用了更多的基元反应式以及采用了最新的水辐射分解速率常数和g值;不仅如此，本程序也更仔细地考虑了ITER中不同组分的辐照条件（辐射种类、剂量率、温度），并考虑了冷却路径对计算结果的影响。这些改进和创新更准确地模拟H2O2和O2的浓度和H2注入冷却剂的条件下水辐射分解。 2.利用该改进的水辐射分解程序研究了伽马辐射和中子辐射辐射分解水的几种重要产物的产额随着温度和剂量率变化的关系以及注氢对于水辐解的影响。对于伽马辐射分解水而言，当温度一定时，各辐解产物浓度均随剂量率升高;当剂量率一定时，随温度升高，分子产物如H2，H2O2，O2平衡浓度先减小，后增加;自由基产物如OH，H，eaq-平衡浓度先升高后降低，在模拟的几组温度中，在150℃左右各产物平衡浓度取极值。另外，当剂量率一定时，随温度升高，H2，H2O2，O2到达稳态时间缩短。中子射线辐射分解水随温度和辐照功率变化的规律与γ射线情况类似，但同一温度和辐照剂量率条件下，中子射线辐解水的分子产物产额明显增加，自由基产额明显变小。 3.针对ITER不同组件的Primary Heat Transfer Systems(PHTSs)的H2O2和O2的辐解产额进行了研究，并同时重现和分析讨论了P.J.Karditsas的论文的模拟结果中存在的问题，并且使用自主开发的Water-homo程序给出了第一壁和包层(FW/BLKT)冷却回路，真空腔(VV)冷却回路的氧化性产物的浓度区间。对于第一壁和包层冷却回路，H2O2的最大浓度是8μM，和而O2的最大浓度为1.3μM;H2O2的最小浓度为2.7μM，O2的最小浓度为0.2μM。对于真空腔冷却回路，H2O2最大浓度为1.98μM和O2的最大浓度为0.034μMO2。最后依据当前的ITER运行工况条件，仅从水辐射分解角度分析，给出了第一壁和包层冷却回路的最佳注氢浓度为5cc H2STP/H2O左右。 4.针对结构材料的腐蚀电位(以下简称ECP)难以直接测量的问题自主编程开发了ECP计算程序。使用该模型计算的裂变反应堆运行工况下的304不锈钢的ECP值与实验测得的ECP值在趋势和量级上的一致性证实了该模型的有效性。依靠ECP计算程序计算了聚变反应堆冷却回路的结构材料304不锈钢的ECP值，研究了冷却剂的流动速度和剂量率对于ECP的影响。计算结果表明更高的剂量率会导致更高的ECP值;更快的冷却剂的流动速度也会产生更高的腐蚀电位;本文也研究了注氢浓度对于304不锈钢的ECP的影响，结果显示;当剂量率低于500Gy/s，ECP可以通过注入5～10cc H2STP/kg H2O来降低至EIGSCC以下。当剂量率高于1000Gy/s，不管注入多少氢气到冷却剂中，304不锈钢的ECP值永远都不会低于EIGSCC。这表明，对于辐照场强度高的地方，仅注氢这一项水化学控制的手段不足以降低ECP到安全值以内，需要其他的辅助的水化学控制手段（例如在冷却剂中添加贵族金属）等来降低结构材料的电化学腐蚀电位。 5.完成了未来聚变堆冷却水回路结构材料316不锈钢堆外高温高压反应釜静态腐蚀实验的设计改造，测试了316不锈钢在纯水和注锌水两种水化学条件下的腐蚀情况。实验表明，316不锈钢试样在长达20天的高温高压纯水腐蚀实验中，增重小于1mg，腐蚀后金属表面基本有一层均匀的蓝紫色的氧化膜包裹;高腐蚀产物主要是沿着晶粒边界或者晶界堆积，并由表面向内部扩展;腐蚀剩余中的主要成分是CrⅥ离子，FeⅢ浓度很低，几乎都沉淀到溶液底部。结合表面形貌分析和腐蚀剩余液分析可以推测，高温高压纯水腐蚀316不锈钢的过程，首先是表面形成氧化膜的生长，当氧化膜到一定厚度之后才会开始向溶液中释放和溶解离子，腐蚀剩余液中的离子主要是Cr和Ni。在本实验所探究的Zn浓度范围内，Zn浓度越高，表面生产腐蚀产物的晶体平均半径越小;另外在本实验所探究的Zn浓度范围内，Zn浓度越高，316不锈钢合金腐蚀释放到溶液中的离子浓度的也越低。这说明Zn离子有效阻隔内层金属的进一步氧化和金属离子的释放，从而达到抑制氧化膜生长的目的。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．2水辐射分解及材料潜在腐蚀问题

1．2．1水辐射分解机理及影响因素

1．2．2电化学腐蚀电位与应力腐蚀开裂

1．3 ITER中主回路热转移系统

1．3．1结构材料成分

1．3．2辐射场强度

1．4选题意义及内容安排

参考文献

第二章数值计算方法和实验测试技术介绍

2．1数值计算原理

2．1．1化学反应动力学

2．1．2腐蚀中的电化学

2．1．3常微分组方程的数值解

2．2表面分析

2．2．2固体红外光谱

2．2．3 X射线衍射

2．2．4 X射线光电子能谱

2．2．5扫描电镜

2．3溶液分析

2．3．1紫外可见光谱

2．3．2电感耦合等离子体原子发射光谱

第三章聚变堆冷却水辐射分解模型

3．1引言

3．2模型的建立

3．2．1模型热力学数据的说明

3．2．2模型的微分方程表示

3．3聚变堆冷却水辐射分解行为的研究

3．3．1 Water-homo的可靠性的验证

3．3．2γ射线辐解水行为随剂量率和温度的变化

3．3．3中子射线辐解水行为随剂量率和温度的变化

3．3．4混合射线不同计算方法的比较

3．3．5注氢对水辐解的影响

3．3．6 ITER中水辐射分解行为研究

3．4本章总结

参考文献

第四章聚变堆冷却回路结构材料304不锈钢的腐蚀电位模型

4．1引言

4．2模型的建立

4．2．1混合电势理论(Mixed Potential Theory)

4．2．2模型中的热力学参数说明

4．3聚变堆冷却回路结构材料304不锈钢的腐蚀电位研究

4．3．1 ECP计算模型有效性的验证

4．3．2聚变堆运行条件下304不锈钢的腐蚀电位研究

4．4本章小结

参考文献

第五章聚变堆冷却回路结构材料316不锈钢的腐蚀实验测试

5．1引言

5．2实验部分介绍

5．2．1实验装置

5．2．2实验方案

5．2．3实验步骤

5．3高温高压纯水腐蚀316不锈钢结果与讨论

5．3．1光学与金相显微镜照片

5．3．2固体红外光谱分析

5．3．3 X射线衍射谱

5．3．4 X射线光电子能谱

5．3．5紫外可见光谱

5．3．6电感耦合等离子体原子发射光谱

5．4高温高压注锌水腐蚀316不锈钢结果与讨论

5．4．1金相显微镜照片

5．4．2扫描电子显微镜照片

5．4．3 X射线光电子能谱

5．4．4腐蚀后剩余液紫外可见光谱

5．4．5电感耦合等离子体原子发射光谱

5．5本章小结

参考文献

第六章总结与展望

6．1论文的工作总结

6．2论文的主要创新点

6．3工作展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果