Belangrijke onderdelen van de kernreactor met drukwater worden gemaakt van een legering op nikkelbasis die tweemaal zoveel chroom bevat als het eerder gebruikte materiaal. De nieuwe legering, genaamd legering 690, presteert beter, zonder scheuren als gevolg van corrosie in de omgeving van water met hoge temperaturen. Echter, spanningscorrosie is waargenomen in laboratoriumtests op sterk vervormd legering 690-materiaal. Om inzicht te krijgen in dit gedrag, onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory voerden hoge resolutie-onderzoeken uit naar corrosie- en scheurprocessen.

Verrassend genoeg, ze vonden aderen van gelokaliseerde oxidatie die zich een weg baanden in de legering 690 in plaats van de verwachte, chroomrijke beschermende oxidelaag op het oppervlak.

Beelden met nog hogere resolutie van gecorrodeerde legering 690 onthulden de unieke driedimensionale structuur in de oxidatieaders. De filamentaire aderen waren slechts ongeveer 5 nanometer in diameter, maar doordringen tot een diepte van meer dan 400 nanometer onder het oppervlak. Deze aderen bevatten een lijn van chroomoxide-bloedplaatjes omgeven door gemengde nikkel-chroom-ijzeroxide nanokristallen.

Onderzoekers hebben lang gedacht dat een continue en hardnekkige oxidelaag aan het oppervlak metaallegeringen beschermt tegen degradatie in corrosieve omgevingen. Maar de aderen van doordringende oxidatie in de beter presterende, legering met een hoog chroomgehalte roept fundamentele vragen op over de mechanismen van corrosie en barsten. Inzicht in de opeenvolging van gebeurtenissen die resulteren in penetrerende oxidatie, zal onderzoekers helpen legeringen aan te passen om beter bestand te zijn tegen degradatie tijdens gebruik. Dit werk zou uiteindelijk kunnen leiden tot componenten die langer meegaan en veiligere kernreactoren.

De onderzoekers evalueerden eerst corrosie en barsten in legering 690 die was blootgesteld aan gesimuleerd primair water van de waterdrukreactor bij temperaturen van 325 tot 360 graden C. Vervolgens karakteriseerden ze de algemene morfologie van deze structuren met behulp van lage kV-scanning-elektronenmicroscopie en terugverstrooide elektronenbeeldvorming. Voor beelden met een hogere resolutie en fase-identificatie, Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) werd gebruikt, inclusief energiegefilterde TEM en elektronendiffractie om de elementaire verdeling en fasen tijdens de penetrerende oxidatie op te helderen. Eindelijk, ze gebruikten atoomprobe-tomografie in EMSL om de driedimensionale structuur van de penetrerende oxidatie te bepalen en om diffusieprocessen in vaste toestand te onderzoeken die de oxidatie leidden.

What's Next:De onderzoekers reproduceren deze oxidatie op zeer zuivere, nikkel-chroom binaire legeringen met variabele samenstellingen om oppervlakte- en interne oxidatieprocessen te isoleren. Ze zullen computermodellen van corrosie aanpassen om de penetrerende oxidatie te simuleren. Met experimentele gegevens kunnen ze de nauwkeurigheid verifiëren van computermodellen die kunnen voorspellen hoe componenten van kernreactoren corroderen en barsten tijdens langdurige service.