Viktiga kärnreaktorkomponenter för tryckvatten tillverkas av en nickelbaserad legering som innehåller dubbelt så mycket krom som det material som tidigare använts. Den nya legeringen, kallad legering 690, presterar bättre, utan sprickbildning på grund av korrosion i högtemperaturvattenmiljön. Dock, spänningskorrosionssprickor har observerats i laboratorietester på kraftigt deformerat legering 690-material. För att få insikter om detta beteende, forskare vid Pacific Northwest National Laboratory utförde högupplösta undersökningar av korrosions- och sprickprocesser.
Förvånande, de hittade vener av lokal oxidation som avmaskades in i legeringen 690 istället för att bilda det förväntade, kromrikt skyddande oxidskikt på ytan.
Ännu högre upplösningsbilder av korroderad legering 690 avslöjade den unika tredimensionella strukturen i oxidationsvenerna. De filamentära venerna var bara cirka 5 nanometer i diameter, men tränger ner till djup mer än 400 nanometer under ytan. Dessa vener innehöll en rad kromoxidplättar omgivna av blandade nickel-krom-järnoxid-nanokristaller.
Forskare har länge trott att ett kontinuerligt och segt ytoxidskikt skyddar metallegeringar från nedbrytning i korrosiva miljöer. Men venerna av penetrerande oxidation i de bättre presterande, högkromlegering väcker grundläggande frågor om mekanismerna för korrosion och sprickbildning. Att förstå händelseförloppet som resulterar i penetrerande oxidation kommer att hjälpa forskare att skräddarsy legeringar för att vara mer motståndskraftiga mot nedbrytning under drift. Detta arbete kan i slutändan leda till komponenter som håller längre och säkrare kärnreaktorer.
Forskarna utvärderade först korrosion och sprickbildning i legering 690 exponerad för simulerat tryckvattenreaktor primärvatten vid temperaturer från 325 till 360 grader C. De karakteriserade sedan den allmänna morfologin för dessa strukturer med hjälp av lågkV svepelektronmikroskopi och tillbakaspridd elektronavbildning. För bilder med högre upplösning och fasidentifiering, transmissionselektronmikroskopi (TEM) användes inklusive energifiltrerad TEM och elektrondiffraktion för att belysa elementarfördelningen och faserna genom den penetrerande oxidationen. Till sist, de använde atomsondstomografi i EMSL för att bestämma den tredimensionella strukturen av den penetrerande oxidationen och undersöka diffusionsprocesser i fast tillstånd som leder oxidationen.
Vad är nästa:Forskarna reproducerar denna oxidation med hög renhet, binära nickel-kromlegeringar med varierande sammansättning för att isolera yt- och inre oxidationsprocesser. De kommer att modifiera datormodeller av korrosion för att simulera penetrerande oxidation. Experimentella data kommer att tillåta dem att verifiera noggrannheten hos datormodeller som kan förutsäga hur kärnreaktorkomponenter korroderar och spricker under långvarig drift.
