深地质环境下氢渗透对高放射性核废料储存罐腐蚀行为的影响研究

The internationally accepted design of a deep geologic repository for the long-term management of nuclear fuel waste involves containment of the fuel waste in a durable metal container with an outer copper layer and an inner carbon steel vessel, and disposal of the container in a suitably dense intact rock at a depth of 500 meters. A key barrier in this plan is the corrosion-resistant container that is expected to isolate the fuel waste from the repository environment. In the anoxic conditions anticipated in a deep geological repository, water radiolysis on the Cu surface, resulting from the gamma-radiation fields associated with the fuel waste, will cause formation of hydrogen atoms with high permeability and diffusivity in metals. By applying electrochemical and surface analysis methods, this project will study the influence of hydrogen permeation on the integrity and corrosion properties of Cu-coated carbon steel, and the consequences of galvanic corrosion between the coating and vessel caused by hydrogen permeation. It would provide reliable data on the pros and cons of Cu coating in enhancing the corrosion resistance of the metal container, and be of benefit to the design of the durable waste container.

现阶段，深地质处置法是处理高放射性核废料的最可靠技术，即将核废料保存在由碳钢或其他材料加工而成的储存罐中，存放于地下500米处的处置库内。设计在碳钢表面制备热力学性质更稳定的铜镀层，是提高储存罐防腐性能的方法之一。储存罐在深地质环境中的腐蚀行为是评估核废料处置方案安全性的关键，但是针对核废料辐射诱发地下水裂解产生的氢原子渗透，对储存罐镀层性质和防腐性能的影响仍然未知。本项目拟使用镀铜钢作为核废料储存罐的构造材料样本，采用电化学方法与表面分析手段相结合，研究氢渗透对材料镀层形貌、内部结构和腐蚀行为的影响，探讨氢渗透导致镀层与罐身间发生电偶腐蚀的条件和后果，总结利用铜镀层提高储存罐防腐性能的利弊，为我国核废料处理方案中金属储存罐的设计提供科学依据。

深地质处置法是目前处置高放射性核废料最可靠的技术，即将核废料封存在由碳钢或其他材料加工而成的金属储罐中，存放于地下处置库内。金属储罐在深地质环境中的腐蚀行为是评估核废料处置方案安全性的关键。设计在碳钢表面制备热力学性质更稳定的铜镀层，是提高储罐防腐性能的有效方法之一，但是针对核废料辐射诱发地下水裂解产生的氢原子渗透，对储罐镀层性质和防腐性能的影响仍然未知。本项目使用镀铜钢作为核废料储罐的构造材料样本，采用电化学方法与表面分析手段相结合，研究氢渗透对材料镀层形貌、内部结构和腐蚀行为的影响，探讨氢渗透导致镀层与罐身间发生电偶腐蚀的条件和后果。通过测量碳钢和镀铜钢材料的氢渗透曲线，证实了铜镀层可以增加获得稳定氢渗透电流的时间，并且大大减小稳定氢渗透电流。通过拟合氢渗透电流曲线可以得出，碳钢材料中氢原子的渗透系数为~10−7 cm2•s−1，镀铜钢材料中氢原子的渗透系数为~10−9 cm2•s−1，以上结果证实铜镀层可以有效阻滞氢原子对基体碳钢的渗透。铜镀层充氢面物质成分分析证明了充氢面CuH的生成。在充氢完成后的浸泡过程中，通过XPS分析得出CuH会转化成Cu2O/CuOH保护层，缓解氯离子对铜镀层耐蚀性能的破坏，使充氢镀铜钢样品的阻抗值增大。截面形貌分析证实本项目实施的充氢条件不会对铜镀层的完整性以及与基体的结合度造成巨大影响。通过测量碳钢与铜之间的电偶腐蚀电流，明确了有氧条件下，铜与碳钢电偶腐蚀速率会随铜与碳钢面积比的增加、温度的升高而增大。在缺氧条件下，随阴阳面积比增加、温度升高，铜与碳钢电偶腐蚀速率先增加后趋于稳定。以上研究结果可为我国核废料处置方案中金属储罐的防腐设计提供科学依据。