测试涂层以保护罐免受腐蚀

任何住在海边的人都可以证明，金属和海雾是腐蚀的根源。这些常见的化学反应是沿海生活的一大麻烦，当它瞄准装有废核燃料的不锈钢罐时，这些反应的后果会变得更加严重。

为了保护钢铁免受海洋空气的腐蚀威胁，桑迪亚国家实验室的研究人员测试了多种镍混合物作为不锈钢的保护涂层。研究人员发现，应用的特定材料和使用的特定应用工艺会影响涂层的特性，包括其抗腐蚀能力。他们的结果最近发表在《金属和合金前沿》上。

用过的核燃料储存在许多沿海地区，海风可以吹动罐子并沉积腐蚀性氯化盐，例如氯化钠，或更常见的食盐。如果有足够的时间，这些盐形成的盐水会腐蚀不锈钢罐并使之凹陷。

“通过我们的研究，很明显要完全消除一种被称为应力腐蚀开裂的腐蚀的可能性并不容易，”乏核燃料储存专家和共同负责人查尔斯布赖恩说。项目。

“应力腐蚀开裂最终可能会在一些临时储存地点发生。这可能需要数百年的时间，但它可能会发生，因此人们开始考虑缓解和修复技术。我们开始研究冷喷涂，这是一项技术行业对耐腐蚀聚合物涂层非常感兴趣，并致力于此。”

不再为核电站(仍然是美国主要的碳中和电力来源)产生足够热量的核燃料棒首先被转移到反应堆现场的水池中。在池中存放数年后，在称为燃料组件的架子中的乏核燃料足够凉，可以将其从储存池中取出并与许多其他燃料组件一起放入不锈钢罐中。

每个燃料棒在锆基管内都有固体氧化铀颗粒。如果暴露在氧气和潮湿空气中，固态锆会分解，因此罐中充满惰性气体氦气以保护棒。

这些干燥的储存罐具有高放射性，并且通常被称为外包装的额外混凝土或钢层包围。布赖恩说，这些外包装保护工人免受辐射，同时允许空气在罐周围循环，为他们降温。

布赖恩说，最初，乏核燃料干式储存罐获得许可，可以将乏核燃料储存长达20年，然后再运送到深层地质处置库进行永久处置。

然而，事实证明，在美国开发这样一个存储库在政治上具有挑战性。由于乏核燃料干式储存罐的使用时间比预期的要长，2012年，行业科学家和监管机构开始探索老化罐面临的潜在问题。Bryan说，他们确定了一种称为应力腐蚀开裂的腐蚀类型具有潜在风险。

解码应力腐蚀开裂

布莱恩说，十年前，电力研究所的桑迪亚合作者与核电站运营商合作，开始从各个地点的干燥储罐外部收集灰尘样本。Sandia分析了这些样本，并在每个样本中都发现了氯化物盐。靠近海洋储存的罐子含有更多的盐，但即使是内陆罐子也含有一些来自道路除冰盐的氯化物和用于软化蒸汽发电(例如核电站)的水的氯化钠。

布莱恩说，桑迪亚研究人员还进行了一项大型实验，以确定用于制造干燥储存罐的焊缝是否产生足够的应力以允许发生应力腐蚀开裂。他们发现焊缝确实会产生足够的应力。

此外，桑迪亚研究人员还参与了罐温、环境湿度和影响钢中腐蚀坑形成和生长的粉尘化学成分的计算机模型的开发。他们还研究了凹坑变成裂缝的过程，以及裂缝长到足以构成危险需要多长时间。他补充说，这些模型的完善仍在进行中。

在过去的十年中，桑迪亚和其他机构的研究人员无法完全排除干式储存罐在延长罐寿命期间发生应力腐蚀开裂的可能性;然而，布赖恩说，罐子检查从未发现裂缝。

布莱恩说，桑迪亚工程师萨姆德宾正在研究放射性物质从潜在的应力腐蚀裂纹中释放出来的可能性，这是评估公众可能面临的放射性暴露风险的关键。相反，罐应力腐蚀开裂的主要问题是燃料棒的退化，如果工人重新包装乏燃料进行永久性地质处置，可能会使工人接触放射性物质，他补充说。

研究冷喷涂保护

三年前，桑迪亚和太平洋西北国家实验室的研究人员开始探索裂缝缓解和修复技术。这些研究人员，包括工程师ErinKarasz，他以博士后任命的身份开始该项目，现在是工作人员，已经测试了各种冷喷涂涂层，看看它们是否可以保护1/2英寸厚的不锈钢片免受氯化物腐蚀。

“我们发现，你必须非常清楚你正在喷涂的材料种类，”金属和合金前沿论文的主要作者Karasz说。“当腐蚀发生在冷喷涂层和钢材之间时，孔隙率在多大程度上决定了行为，我感到很惊讶。似乎存在特定水平的孔隙率，低于该水平，冷喷涂具有增强的耐腐蚀性。”

Karasz说，冷喷涂是一种使用比商用披萨烤炉温度更高但比熔化金属所需温度低得多的气体将约有人类头发一半宽的小金属颗粒喷涂到表面上的过程。惰性气体使用比汽车轮胎压力高10到20倍的压力将小金属颗粒“喷射”到不锈钢上。

在这篇论文中，该团队测试了三种不同的镍基金属混合物，其中两种具有已知的抗腐蚀性能，并以纯镍作为对比。他们尝试了两种不同的气体，氮气和氦气。他们还测试了将金属上的涂层逐渐变细或在涂层区域和未涂层区域之间留下更锐利边缘的效果。

他们发现，用于喷涂在金属颗粒上的气体对涂层的多孔性或海绵状有很大影响。涂层的孔隙率极大地影响了涂层的腐蚀行为，Karasz说。

为了测试冷喷涂层的防腐性能，Karasz将小块冷喷涂不锈钢件浸泡在腐蚀性很强的氯化铁浴中三天。该项目的共同负责人、材料科学家丽贝卡·夏勒(RebeccaSchaller)说，这是加速氯化物腐蚀的标准方法，但它并不是数百年来废核燃料罐会发生什么情况的完美模型。他们在所有样品上都发现了腐蚀，但腐蚀的位置和形状不同，这表明需要进一步改进涂层。

Schaller说，现在该团队正着手在更相关的大气条件下测试冷喷涂不锈钢和其他聚合物涂层。她补充说，最终目标是测试焊接不锈钢上的涂层，以测试它们的应力和腐蚀情况。

“当我们把任何东西放在这些罐子上时，我们首先要努力确保它不会造成任何伤害，”夏勒说。“Erin试图确定的是，我们需要在这些研究中关注哪些方面，以优化涂层并确保它们不会在未来给我们带来更多问题。冷喷涂是一项较新的技术，很少有人拥有在大气腐蚀条件下看，更不用说数百年的腐蚀性能了。”