用于模拟高放废物处置金属罐腐蚀环境和行为的方法

摘要

本发明属于辐照环境下金属腐蚀领域，具体涉及一种用于模拟高放废物处置金属罐腐蚀环境和行为的方法。该方法采用石墨为承载容器，并进行密封处理；先装入一部分膨润土，再将测试金属片试样平行插入容器卡槽中，使膨润土和金属片紧密接触，进行缝隙密封，露出金属片试样表面，先加热然后装置置于钴源γ射线辐照环境下辐照；将辐照之后的样品取出，用扫描电镜观察去除腐蚀产物膜前后的样品形貌，获得腐蚀产物成分信息，利用腐蚀失重法计算高温环境中的腐蚀速率。本发明为研究高放废物地质处置实验室条件下的实验提供了可靠的实验方法和可行的样品承载容器。方法较全面的对高放废物处置罐金属所处的环境进行了模拟，其实验结果具有一定参考价值。

说明书

技术领域

本发明属于辐照环境下金属腐蚀领域，具体涉及一种用于模拟高放废物处置金属罐腐蚀环境和行为的方法。

背景技术

目前，国内研究辐照对钢腐蚀行为影响的报道较少，对研究钢在膨润土和辐照共同作用下的腐蚀行为的研究更是非常少。调查国外高放废物处置方法发现，较为系统且成熟的是日本采用的利用压实膨润土包裹高放废物处置罐的方法，且我国也正在研究利用该技术。影响金属腐蚀的因素有很多，高放废物处置罐体金属的腐蚀环境则更为复杂，要面对内部高剂量的辐射、外部水环境以及膨润土吸水导致的土的膨胀力影响。

另外，目前在进行辐照相关实验时多使用有铅板夹层的金属容器，这种金属容器虽然可以对某些种类的辐照起到一定的屏蔽作用，但是在腐蚀实验研究过程中碳钢容器自身的腐蚀、不锈钢容器高昂的造价以及点蚀破坏的风险等等因素使得金属材料不适宜在此应用，而且由于铅有一定的毒性，且铅质地较软，不可能单独作为结构件使用；混凝土可以对辐照有屏蔽作用，但需要较大量混凝土才能实现，实验装置会略显笨重；另外高分子材料耐辐照老化性能不尽如人意；所以权衡利弊，急需选择合适容器作为承载容器。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种实验方法较好较全面的对高放废物处置罐金属所处的环境进行了模拟，其实验结果具有一定参考价值的用于模拟高放废物处置金属罐腐蚀环境和行为的方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种用于模拟高放废物处置金属罐腐蚀环境和行为的实验方法及石墨承载容器的制备方法，主要包括以下步骤：

步骤1：首先按照预设尺寸设计制作承载容器，并对承载容器进行预处理，并烘干；

步骤2：在步骤1处理后的承载容器进行密封处理；

步骤3：将湿度为10-20%的膨润土装入经过步骤2处理后的承载容器中，装满并压实；

步骤4：将尺寸与承载容器的卡槽配合的多种测试金属片试样平行插入承载容器的卡槽中，使膨润土和金属片的表面紧密接触；

步骤5：将待测试样和卡槽之间的缝隙密封,得到样品；

步骤6：将加热装置用保温层包裹，中部倒入导热介质，将步骤5制得的至少一个样品插入导热介质中，露出金属片表面，加热至85-95℃温度；

步骤7：将步骤6加热后的装置置于钴源γ射线辐照环境下辐照，辐照剂量率为1.8-2.2kGy/h，辐照总剂量为2.8-3.2MGy，样品平行于放射源放置，辐照时间为28-32天；

步骤8：将辐照之后的样品取出，用扫描电镜观察去除腐蚀产物膜前后的样品形貌，用EDS能谱仪获得腐蚀产物成分方面的信息，利用腐蚀失重法计算样品在高温环境中的腐蚀速率。

进一步，该方法还包括以下步骤:

对比样品的制备. 先将一部分湿度为10-20%的膨润土压入承载容器，随后将另一组尺寸与承载容器中空部分配合的测试金属片试样放入中空部分与下层土膨润土压实，随后将剩下的膨润土倒入承载容器中并压实，使得测试金属片试样位置处在两层膨润土之间，得到对比样品；

测试：将对比样品在室温在置于钴源γ射线辐照环境下辐照，辐照剂量率为1.8-2.2kGy/h，辐照总剂量为2.8-3.2MGy，试样平行于放射源放置，辐照时间为28-32天；

将辐照之后的样品取出，用扫描电镜观察去除腐蚀产物膜前后的样品形貌，用EDS能谱仪获得腐蚀产物成分方面的信息，利用腐蚀失重法计算样品在室温环境中的腐蚀速率。

进一步，所述承载容器的材料为石墨。

进一步，所述测试金属片的材料为6Mn、Q235、304不锈钢或316不锈钢。

进一步，所述导热介质为石英砂。

进一步，所述保温层为保温棉。

进一步，所述加热装置为电加热棒。

进一步，所述步骤1的具体方法为：

步骤1.1：按照预设尺寸设计制作石墨承载容器， 在所述石墨承载容器设置中空内腔，容器壁厚至少5mm，再在靠近所述石墨承载容器的开口位置的侧壁上设置槽，所述的槽为深度、高度不少于2mm；

步骤1.2：用1000#砂纸对石墨承载容器表面进行打磨处理，用去离子水洗净表面粉末，用乙醇洗净表面油污后对所述石墨承载容器进行烘干；

步骤1.3：采用无机硅氧化物涂料喷涂在石墨承载容器表面，厚度为18-22μm，以封闭石墨表面的微观孔洞。

本发明具有以下优点及有益的效果：

1、本发明为研究高放废物地质处置实验室条件下的实验提供了一种新的较为可靠的实验方法。

2、为研究高放废物地质处置实验室条件下的实验提供了一种较为可行的样品承载容器。

3、本发明中的实验方法较好较全面的对高放废物处置罐金属所处的环境进行了模拟，其实验结果具有一定参考价值。

附图说明

图1为本发明的承载容结构示意图。

图2为本发明加热装置与承载容器放置结构示意图。

图3为采用本发明实施例实验后得到的实验样品腐蚀形貌。

图中：

1. 承载容器，1-1.主体，1-2.卡槽，1-3. 中空内腔，2.加热装置，3. 保温层，4.导热介质，5. 金属片试样片，6.膨润土。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明一种用于模拟高放废物处置金属罐腐蚀环境和行为的方法，所述方法具体包括以下步骤:

步骤1：首先按照预设尺寸设计制作承载容器，并对承载容器进行预处理，并烘干；

步骤2：在步骤1处理后的承载容器进行密封处理；

步骤3：将湿度为10-20%的膨润土装入经过步骤处理后的承载容器中，装满并压实；

步骤4：将尺寸与容器卡槽配合的多种测试金属片试样平行插入容器卡槽中，使膨润土和金属片紧密接触；

步骤5：将待测试样和卡槽之间的缝隙密封,得到样品；

步骤6：将加热装置用保温层包裹，中部倒入导热介质，将步骤5制得的至少一个样品插入导热介质中，露出金属片试样表面，加热至85-95℃温度；

步骤7：将步骤6加热后的装置置于钴源γ射线辐照环境下辐照；

步骤8：将辐照之后的样品取出，用扫描电镜观察去除腐蚀产物膜前后的样品形貌，用EDS能谱仪获得腐蚀产物成分方面的信息，利用腐蚀失重法计算样品在高温环境中的腐蚀速率。

该方法还包括以下步骤:

步骤9：先将一部分湿度为10-20%的膨润土压入承载容器，随后将另一组尺寸与承载容器中空部分配合的测试金属片试样放入中空部分与下层土膨润土压实，随后将剩下的膨润土倒入承载容器中并压实，使得测试金属片试样位置处在两层膨润土之间，得到对比样品；

步骤10：将对比样品在室温在置于钴源γ射线辐照环境下辐照，将辐照之后的样品取出，用扫描电镜观察去除腐蚀产物膜前后的样品形貌，用EDS能谱仪获得腐蚀产物成分方面的信息，利用腐蚀失重法计算对比样品在室温环境中的腐蚀速率。

所述承载容器的材料为石墨。

所述测试金属片的材料为6Mn、Q235、304不锈钢或316不锈钢。

所述导热介质为石英砂。

所述保温层为保温棉。

所述加热装置为电加热棒。

所述步骤1的具体步骤为：

步骤1.1：按照预设尺寸设计制作承载容器， 在所述承载容器设置中空内腔，容器壁厚至少5mm，再在靠近所述承载容器的开口位置的侧壁上设置卡槽，所述卡槽为深度、高度不少于2mm；

步骤1.2：用1000#砂纸对承载容器表面进行打磨处理，用去离子水洗净表面粉末，用乙醇洗净表面油污后对所述承载容器进行烘干；

步骤1.3：采用无机硅氧化物涂料喷涂在承载容器表面，厚度为18-22μm，以封闭表面的微观孔洞。

所述辐照剂量率为1.8-2.2kGy/h，辐照总剂量为2.8-3.2MGy，试样平行于放射源放置，辐照时间为28-32天。

实施例：

首先按照预设尺寸设计制作石墨承载容器，其尺寸为：长宽高均为30mm；中空部分尺寸长宽高均为20mm容器壁厚均为5mm；槽的尺寸为深度、高度均为2mm。用1000#砂纸对石墨承载容器表面进行打磨处理，用去离子水洗净表面粉末，用乙醇洗净表面油污后对承载容器进行烘干。使用市面购买的一种无机硅氧化物涂料喷涂在石墨承载容器表面，漆膜厚度约为20μm，以封闭石墨表面的微观孔洞。其目的是保证容器密闭，保证内部产生的气体、离子和外部环境中的气体、离子不会出入容器，对实验产生干扰。

随后将配置好的湿度为15%的膨润土装入容器中并压实，膨润土的平均质量在9.6g左右，以保证各个容器中土的密度大体相当。

将尺寸与容器卡槽配合的16Mn、Q235、304不锈钢和316不锈钢四种金属片及其平行试样插入容器卡槽中，保证膨润土和金属片紧密接触。另外一组实验中，先将一部分土压入石墨盒子，随后将另一组尺寸与石墨盒子中空部分配合的16Mn、Q235钢放入中空部分与下层土压实，随后将剩下的土倒入石墨盒子并压实，使得金属片位置处在两层膨润土之间。将硅酸钠、活性氧化铝粉末、去离子水混合制得另一种涂料，并用该涂料填充第一组实验待测试样和卡槽之间的缝隙，以达到石墨承载容器的完全密封。

将加热圈用保温棉包裹起来，中部倒入石英砂作为导热介质。将以上步骤制得的一部分样品插入石英砂中，露出金属片表面。加热装置利用一个温控装置和一个NTC型热敏电阻监测并控制温度，以达到试验要求的90℃温度。另一部分试样用铝箔纤维胶带捆绑，不进行加热，以完成对室温环境与高温环境的对比试验。随后将整个试验设备置于钴源γ射线辐照环境下辐照，辐照剂量率为2.0kGy/h，辐照总剂量为3.0MGy，试样平行于放射源放置，辐照时间为30天。

最后将实验之后的样品取出，用扫描电镜观察去除腐蚀产物膜前后的样品形貌，用EDS能谱仪获得腐蚀产物成分方面的信息，利用腐蚀失重法计算样品在相应环境中的腐蚀速率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。