锆合金腐蚀相关缺陷的正电子湮没研究

【作者】 朱喆劼； 杨薇； 王娇娇； 吴奕初； 姚美意； 周邦新；

【机构】 武汉大学物理科学与技术学院,湖北省核固体物理重点实验室； 上海大学材料研究所；

【摘要】 锆合金具有热中子吸收截面小、加工性能好、耐腐蚀性较高、机械强度适中等优点,因此被广泛用作核反应堆燃料包壳管的关键材料。反应堆运行时,锆合金包壳处在高温高压水环境中工作,锆受到高温高压水的腐蚀会在锆合金表面生成含有很多缺陷ZrO₂膜,使锆合金包壳的有效厚度减薄,从而影响其使用寿命。因此,锆合金的耐腐蚀性研究一直是国内外研究者非常关注的问题,研究锆合金在堆内工作条件下腐蚀早期的形成的氧化膜中的缺陷形成及演化规律具有重大意义。本文采用正电子湮没谱学方法研究了Zr-4合金（Zr-1.5Sn-0.2FeO.1Cr,wt%）与N18合金（Zr-1.0Sn-0.3Fe-0.1Cr-0.35Nb,wt%）在360℃,18.6MPa0.01mol/L LiOH水溶液和在400℃,10.3MPa的饱和水蒸汽中腐蚀形成的氧化膜的缺陷及微结构。使用了慢正电子束对样品进行测量,测量能量范围为0.25²7keV,正电子注入深度约为1.1μm。实验结果表明:（1）腐蚀使Zr-4合金与N18合金形成的氧化膜中均产生了空位型缺陷。Zr-4合金与N18合金在LiOH水溶液中腐蚀生成的氧化膜均比在高温水蒸汽中腐蚀生成的氧化膜含有的缺陷更多。说明了腐蚀液中的Li⁺会加速锆合金的腐蚀。（2）不含Nb的Zr-4合金在LiOH水溶液中腐蚀生成的氧化膜中缺陷要多于含Nb的N18合金,与文献报道的N18合金在LiOH水溶液中有着比Zr-4合金更好的耐腐蚀性结果一致。（3）正电子寿命谱的结果表明在饱和水蒸汽中腐蚀Zr-4合金生成的氧化膜中的空位型缺陷的尺寸比N18合金的大,但浓度要比N18合金的低。以上结果证实了正电子湮没谱学方法对于锆合金腐蚀相关缺陷研究的敏感性和可靠性。更多还原