聚变堆用铜铬锆合金的高温高压水腐蚀行为研究

摘要

聚变堆设计中，偏滤器和第一壁热沉材料铜铬锆合金与高温高压冷却水接触，从而导致铜铬锆合金发生腐蚀。铜铬锆合金在冷却水中发生腐蚀，一方面对聚变堆元件的完整性、性能、使用寿命等产生重要影响;另一方面，产生的腐蚀产物随冷却水迁移，并可能发生沉积、活化，从而成为活化腐蚀产物的一部分。因此，研究铜铬锆合金在聚变堆高温高压冷却水环境下的腐蚀，对聚变堆的运行安全和腐蚀源项分析都具有重要意义。然而，现有文献中，铜铬锆合金的腐蚀实验，尤其是在与反应堆冷却水回路运行状况相似的管路式实验台架中进行的腐蚀实验研究少见报道。
　　本文开展铜铬锆合金在模拟聚变堆运行环境(冷却水温度150℃、溶氧量＜10ppb)的腐蚀实验。实验分为两部分，一是利用压水堆堆外实验回路，开展流速为6m/s的动态水腐蚀实验;二是利用高温高压连续水回路，开展流速为0.214×10-6m/s的连续水腐蚀实验。利用SEM+EDS、XRD、AES等仪器对腐蚀样品的表面和截面开展腐蚀产物的显微结构和化学成分分析。比较动态水与连续水腐蚀实验结果，分析铜铬锆合金在冷却水中的腐蚀过程，讨论水流速度对铜铬锆合金腐蚀的影响。
　　研究结果表明:(1)在动态水中，铜铬锆合金腐蚀失重随时间呈直线变化，拟合公式为m=-0.13514+0.01053t，腐蚀速率大约为3×10-9kg/(m2·s);在连续水中，铜铬锆合金腐蚀失重随时间呈幂函数变化，拟合公式为m=0.06216t032786，腐蚀时间1500h时，腐蚀速率为1.27×10-10kg/(m2·s)。(2)表面显微分析显示，铜铬锆合金在动态水和连续水中的腐蚀产物均为CuO和Cu2O的混合物。对于动态水，产生的腐蚀产物颗粒较大(0.5μm)，且从腐蚀初期100h的样品表面即全部被氧化物颗粒覆盖;而连续水产生的腐蚀产物颗粒尺寸较小（小于检测线），呈粉末状分布在样品的局部，且腐蚀1500h的样品表面原始磨痕清晰可见。(3)对腐蚀产物厚度的测量显示，动态水腐蚀的样品中，只有腐蚀800h氧化层厚度可测，为0.8μm，而100h和1500h的氧化层厚度均低于检测线;连续水腐蚀的样品中，100h氧化层厚度低于检测线，800h和1500h氧化层厚度分别为0.55μm和0.75μm。(4)通过分析铜铬锆合金在冷却水中的腐蚀过程，认为冷却水流速对铜铬锆合金腐蚀的影响是由于流速直接改变了材料表面的氧化膜厚度和流动边界层传质系数。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 铜铬锆合金水腐蚀行为的研究现状

1．2．1 铜铬锆合金的高温高压水腐蚀

1．2．2 铜铬锆合金及其他铜合金在常温水中的腐蚀

1．3 论文研究内容

第2章 动态水腐蚀实验

2．1 实验参数

2．2 实验装置及实验过程

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 腐蚀失重和腐蚀速率分析

2．3．2 腐蚀产物微观分析

2．3 本章小结

3．1 实验参数

3．2 实验装置及实验过程

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 腐蚀失重和腐蚀速率分析

3．3．2 腐蚀产物微观分析

3．5 本章小结

第4章 冷却水流速对铜铬锆合金腐蚀的影响

4．1 动态水和连续水实验结果比较

4．2 冷却水流速对铜铬锆合金腐蚀影响分析

4．3 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

致谢