西北工业大学王显宗副教授团队：乏燃料后处理用合金腐蚀行为研究进展

2024-12-26 13:10:19 作者：中国表面工程来源：中国表面工程分享至：

核电在快速发展的同时，积累了大量急需后处理的乏燃料。溶解器和高放废液蒸发器作为乏燃料后处理流程的核心设备，长时间服役于沸腾浓硝酸造成的强酸、强氧化性环境，这加剧了合金的腐蚀损伤，严重威胁设备的安全运行。

因此，在急需研制高耐蚀后处理用合金进一步提升乏燃料后处理能力的背景下，西北工业大学王显宗副教授团队在《中国表面工程》2024年第37卷第5期发表综述论文《乏燃料后处理用合金腐蚀行为研究进展》，针对乏燃料后处理用合金腐蚀行为开展综述研究，具有重要的科学和工程意义。本文围绕后处理用的三种典型合金：低碳不锈钢、钛合金、锆合金，分别对其腐蚀行为研究进展、影响因素以及应用在后处理领域所面临的主要挑战进行了详细的分析总结，并且以三种合金在后处理环境中的腐蚀机理贯穿其中。最后，展望了后处理合金需要重点开展研究的内容。

引用格式

宋贵康，王一，查智博，公维佳，王显宗，李金山，李中奎. 乏燃料后处理用合金腐蚀行为研究进展[J]. 中国表面工程，2024，37(5)：57-76.

SONG Guikang, WANG Yi, ZHA Zhibo, GONG Weijia, WANG Xianzong, LI Jinshan, LI Zhongkui. Research Progress of Alloys Used in Reprocessing Spent Nuclear Fuel and Their Corrosion Behavior[J]. China Surface Engineering, 2024, 37(5): 57-76.

论文创新点

本文针对乏燃料后处理用合金的腐蚀问题进行综述研究，详细分析常用合金类型的腐蚀行为及机理，并对乏燃料后处理领域所面临的主要挑战进行详细的分析及总结。

突出环境的特殊性：乏燃料后处理的强酸、强氧化环境。

突出材料的特殊性：针对后处理用Zr、Ti等合金，以材料耐蚀性为主导。

突出工程问题：以乏燃料后处理设备的安全问题为大背景。

重要结论

乏燃料后处理溶解器和高放废液蒸发器等关键部件的选材，关乎后处理厂长期安全稳定运行。三类主要后处理用合金：低碳不锈钢、钛合金、锆合金在高温浓硝酸中展现出的耐蚀性能特点、影响因素以及面临的主要挑战总结概述如下：

1 低碳不锈钢、钛合金和锆合金在常规后处理腐蚀介质中的腐蚀速率依次呈现数量级的降低：大约从10⁻²数量级降至10⁻⁴数量级。当然，受到硝酸浓度、温度、强氧化性离子、合金成分以及加工工艺的影响时，三种合金腐蚀速率可能存在很大的偏移。因此，三种合金耐蚀性能均存在较大调控空间以适应不同的后处理需求。

2 三类材料在后处理环境中仍然面临严峻考验。低碳不锈钢在高温、高浓度硝酸和强氧化性离子环境中容易发生晶间腐蚀。钛合金则在硝酸的液相、气相和冷凝相中腐蚀行为差异显著，尤其在冷凝相中腐蚀较严重。锆合金的主要问题是存在应力腐蚀开裂倾向以及在氟化硝酸中腐蚀速率较高。

3通过合理调控合金成分、优化加工制备工艺以避免缺陷的产生以及添加缓蚀剂等方法可以在一定程度上抑制三类材料的腐蚀问题。但是仍需要进一步的研究来提供更有效的解决方式。

研究展望

当前围绕乏燃料后处理用三类主要合金的腐蚀行为研究，有待进一步探索的有：

1 揭示硅含量对不锈钢晶间腐蚀和均匀腐蚀行为的影响机制，并开发耐强氧化溶解液腐蚀的低成本不锈钢。

2 开展钛合金在硝酸环境中的应力腐蚀开裂行为研究，探究Ti-5Ta-1.8Nb合金焊接过程中组织演变及其对腐蚀行为的影响，开发适用于硝酸三相腐蚀环境的耐蚀钛合金。

3 阐明锆合金及其焊缝的显微组织对其在硝酸环境中的耐蚀性影响机制。进一步开发国产化耐蚀锆合金成分及制造工艺。

4 解决钛合金与低碳不锈钢、锆合金与低碳不锈钢异质焊缝的高腐蚀速率问题。

5 针对三类合金材料在乏燃料后处理实际服役工况、包含多元核素的模拟料液、或者辐照模拟料液环境下的腐蚀行为开展相应研究。

课题组简介

论文主创

王显宗

长聘副教授，博士生导师，主要研究方向为腐蚀、摩擦。先后于2011、2014、2018年分别从中国石油大学（华东）、北京科技大学和加拿大阿尔伯塔大学获得学士、硕士、博士学位。2019年2月入职西北工业大学材料学院，加入“先进润滑与密封材料研究中心”刘维民院士团队。荣获中国腐蚀与防护学会杰出青年成就奖、世界腐蚀青年科学家奖。

主持国家自然科学基金（面上、青年）、国家国防科工局专项课题、陕西省基金、广东省青年提升和深圳市面上等10项纵向课题和华为、中国航发、陕煤研究院等8项横向课题。以第一或通讯作者身份在Corrosion Science, Tribology International, ACS Applied Materials & Interfaces, Applied Surface Science, Journal of Materials Science & Technology等期刊发表学术论文30余篇，授权发明专利4项。担任中国海洋湖沼学会海洋腐蚀与污损专业委员会副秘书长，中国腐蚀与防护学会磨蚀与防护技术专业委员会委员、缓蚀剂与水处理专业委员会委员。担任《Corrosion Communications》、《Surface Science Technology》、《中国腐蚀与防护学报》、《摩擦学学报（中英文）》、《机械工程学报（英文版）》、《中国表面工程》、《宇航学报（英文版）》、《矿物冶金和材料学报（英文版）》、《中南大学学报（英文版）》和《工程科学学报》等学术期刊青年编委。

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