HR-224鎳基超合金於超臨界水環境下之腐蝕行為研究

Corrosion Behavior of HR-224 Ni-based Superalloy in Supercritical Water Environment

陳世鳴

指導教授 ： 開執中

國立清華大學/原子科學院/核子工程與科學研究所/碩士(2014年)

摘要

超臨界水反應器(Supercritical Water-Cooled Reactor, SCWR)為第四代核反應器設計之一，其操作環境高於水的臨界點（374℃、22.1 MPa），具有比輕水式反應器更高的熱轉換效率，大約為45% (現今輕水式反應器熱轉換效率為33%)。相對於現今輕水式反應器，超臨界水反應器的設計簡化且縮小反應槽體積，因而更能有效提升安全性且降低建廠成本。然而，超臨界水具有可無限溶解無極性氣體的特性、高運轉溫度以及高功率密度加劇了輻射水解的效應，使爐心水化學環境之腐蝕性比輕水式反應器來的更加嚴重。因此，發展可適用於超臨界水反應器中高溫、高腐蝕性和高應力爐心環境中的金屬材料，即顯得相當重要。
本論文中，將未經處理之 HR-224鎳基超合金置於模擬超臨界水環境迴路中進行測試，在實驗溫度為700℃、壓力為24.8 MPa和溶氧量為8.3 ppm的環境下，量測腐蝕後質量之改變，並透過電子顯微鏡技術及X-ray繞射分析來探討其腐蝕機制。腐蝕時間(t)在5至500小時以及500至1300小時間，單位面積之質量變化量(∆w/A)分別遵守∆w/A=2.315×〖10〗^(-2) t^0.389 和∆w/A=1.556×〖10〗^(-3) t^0.851之趨勢。腐蝕100到500小時後的試片，從橫截面的分析上發現氧化層為三層結構，由外而內分別為spinel Ni(Cr, Fe)2O4、Cr2O3和不連續Al2O3，在某些區域可發現缺乏氧訊號而鐵與鎳成分比例相當高的顆粒介於Cr2O3和Al2O3之間；在700小時之後，spinel氧化層厚度大幅增加，先前劃分的最內層Al2O3層以下有新的氧化物生成，顯示原先形成的不連續Al2O3層失去其保護性。另外，與預長氧化層處理之試片在相同環境下腐蝕的實驗結果比較，歸納出以下結果：在高溫空氣環境中形成的連續Al2O3層，在8.3 ppm 、700℃超臨界水環境中，依舊保持其完整性，經長時間腐蝕之後仍能發揮保護效果。

關鍵字

鎳基超合金 ； 超臨界水 ； 腐蝕

參考文獻

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