用多功能扫描核子微探针研究熔盐堆中Ni基合金元素的迁移和腐蚀

发展第四代核裂变堆的钍铀熔盐堆是未来改变我国能源结构的重要途径之一，钍铀熔盐堆的Ni基合金材料在熔盐体中的腐蚀问题是熔盐反应堆发展面临的重大问题。传统的Ni基合金熔盐腐蚀研究忽略了宏观腐蚀和微观轻、重元素迁移之间的联系。本项目用扫描核子微探针PIXE/PIGE/EBS对轻、重元素同时测量的先进方法，在微米尺度内研究Hastelloy-N合金回路管道浅表面被高温熔盐LiF-NaF-KF腐蚀的机理，探究氟和氟化物对合金表面和体内元素迁移的影响，探究粒子辐射损伤对元素迁移、富集和合金腐蚀的增强作用。建立合金宏观质量亏损和SEM、STIM-CT测量的微观结构和元素分布间的关系。进一步探索Ni基合金的腐蚀机理，从而为提高熔盐反应堆哈氏合金的使用寿命提出新的措施。通过对合金的腐蚀研究，也进一步提高扫描核子微探针的全元素测量准确性和灵敏度。

钍基熔盐反应堆（TMSR）是第四代核裂变堆型之一，熔盐堆与压水堆相比,有热转换效率高、核燃料在线处理、固有安全性以及无水冷却等优点。熔盐堆的核燃料跟熔盐混为一体，熔盐本身具有良好的传热性，但也具体较强的腐蚀性，堆结构材料还要经受中子、离子等的辐照，长期服役于熔盐反应堆的合金材料，在高温熔盐腐蚀以及辐照作用下，回路管道浅表面微观结构发生变化，影响合金的性能，从而影响反应堆的安全运行问题，熔盐堆回路管道材料的耐腐蚀与抗辐照性能是熔盐堆需要解决的核心关键技术问题。国际上，Hastelloy-N合金因具有良好的耐腐蚀性和抗辐照性被选为熔盐堆的结构材料，但国产镍基材料在这方面的基础研究尚属空白。本项目采用质子微探针、正电子谱等核分析技术、扫描电镜、ICP-MS、以及离子辐照与失重测量等多种手段，研究了国产镍基合金等在FLiNaK熔盐中腐蚀行为和离子辐照损伤效应，为镍基合金的辐照与腐蚀机理提供了基础科学数据，从而为提高熔盐反应堆使用镍基合金的使用寿命提出新的措施。.研究取得如下结果：（1）对于经过去水、氧等杂质处理的FLiNaK熔盐的腐蚀，当腐蚀温度从600℃升高到900℃时，国产镍基合金的腐蚀深度从8μm逐渐增加到40μm；合金的腐蚀失重从2 mg/cm2增加到8 mg/cm2，但增加速率逐渐下降。（2）纯净熔盐腐蚀的合金腐蚀区域均出现了Cr元素的流失现象并伴有Mo元素的富集，腐蚀后的晶界结构明显加宽，表现出了明显的晶间腐蚀特征。（3）当熔盐中有杂质（水、氧等）时，腐蚀深度大大增加，同时使耐熔盐腐蚀的Mo元素也出现了脱溶现象，明显加剧了熔盐对合金的腐蚀作用。（4）氙离子辐照后合金中空位型缺陷增多，并且随着辐照剂量的增大呈增长趋势，缺陷以单型为主，没有大的空位团出现；辐照后的合金出现硬化，硬度随着剂量的增大而增大，但在相同剂量下的低损伤速率的辐照引起的硬化更明显；随着辐照剂量的增加，辐照缺陷的数密度降低，尺寸增加，并且在相同剂量下，低损伤速率的辐照产生的缺陷尺寸较大。（5）氢、氦离子辐照后随着剂量的增大硬度不断增大，其中氦离子的辐照的S参数随剂量增加呈现出先增大后减小的现象。（6）研制了一台管式氩气环境的高温熔盐腐蚀装置和一台箱式高温腐蚀炉。（7）4MV加速器升级改造后，不仅可以进行材料高温下离子束辐照，而且拥有完备的常规离子束分析技术和质子微探针技术。