Qurğuşunla soyudulan sürətli reaktorlarda (Lead-cooled Fast Reactor, LFR) maye qurğuşun veya qurğuşun-bizmut ötektiki (Lead-Bismuth Eutectic, LBE), çox yüksək qaynama temperaturu ve uyğun neytronik xüsusiyyətləri nedeniyle inkişaf etmiş soyuducu namizədlərindən biridir. Bununla belə maye metal ile konstruktiv polad arasındaki uzunmüddətli qarşılıqlı təsir; oksidləşmə, həllolma, eroziya ve maye metal kövrəkləşməsi gibi mexanizmlər vasitəsilə reaktor komponentlərinin ömrünü məhdudlaşdıra bilər.

Bu tədqiqat 12Cr oksid dispersiyası ilə möhkəmləndirilmiş poladın (12Cr-ODS) 500 °C-də, doymuş oksigenli LBE içinde ve təxminən 3 m/s nisbi axın sürətini təmsil edən döner korroziya qurğusunda 1000 ve 2000 saatlıq davranışını araşdırır. Nümunələr SEM ve EDS ilə xarakterizə edilmiş; oksid qalınlıqları 50'den fazla nöqtədə ölçülmüş ve kütlə dəyişmələri müəyyən edilmişdir. Eksperimental 12Cr-ODS məlumatları daha sonra axın sürəti düzəlişi ehtiva edən bir oksidləşmə-korroziya modeli ilə müqayisə edilmişdir.

1000 saatın sonunda orta oksid təbəqəsi 19,8 µm olduğu halda 2000 saatın sonunda 18,0 µm'ye azalmışdır. Buna karşılık birim alan başına kütlə artımı 4,65 mg/cm²'den 7,80 mg/cm²'ye yüksəlmişdir. Maksimum lokal qalınlıq 23,2 µm'den 31 µm'ye çıkmış ve uzunmüddətli nümunəde oksid təbəqəsindəki məkan heterogenliyi aydın şəkildə artmışdır. SEM görüntülərində çatlaqlar ve lokal soyulmalar görünür.

Müəlliflər bu zahiri ziddiyyəti, yüksək sürətli LBE akışının qoruyucu oksid təbəqəsini lokal olaraq aşındırması ve çatlatması; eyni zamanda çatlaqların oksigenin daha dərin bölgələrə daşınmasına imkan verərək daxili oksidləşməni davam etdirməsi ilə izah edir. Başqa sözlə lokal olarak ince bölgeler oluşurken ümumi oksigen qəbulu davam edə bilər.

Model simulyasiyasında 316L ən sürətli oksid böyüməsini, T91 ən aşağı oksid böyüməsini, 12Cr-ODS ise ikisinin arasında bir davranış göstərir. Məqalənin istifadə etdiyi 40 µm kritik oksid qalınlığı meyarına görə 3 m/s şəraitində 316L təxminən 3044 saatte, 12Cr-ODS ise təxminən 4355 saatte bu həddə çatır. Bununla belə, bu müqayisə T91 ve 316L'nin eyni cihazda aparılmış təcrübələrinə deyil model simulyasiyalarına əsaslanır.

Qurğuşunla soyudulan sürətli reaktorlarda korroziya niyə vacibdir?

LFR tasarımlarında maye qurğuşun veya LBE'nin kaynama sıcaklığının 1600 °C'nin üzerinde olması, yüksək temperaturda aşağı təzyiqli işləmə imkanı verir. Bunun müqabilində konstruktiv materiallar uzun süre yüksək temperatur, maye metal, mexaniki axın gərginliyi ve neytron şüalanmasının birgə təsirlərinə məruz qalır.

Makale iki əsas maye metal zədələnmə mexanizmini ayırır. Liquid Metal Corrosion (LMC); oksidləşmə, həllolma, eroziya ve aşınma üzerinden material itkisinə veya oksid böyüməsinə səbəb ola bilər. Liquid Metal Embrittlement (LME) ise sıvı Pb/Bi atomlarının çat ucları ilə qarşılıqlı təsiri nəticəsində bəzi şəraitlərdə süneklik ve qırılma möhkəmliyinin azalması ilə əlaqəlidir.

Nəzarətli miqdarda oksigen bulunduğunda polad üzərində qoruyucu oksid təbəqəsinin yaranması faydalı ola bilər. Lakin bu tabaka çox qalınlaşarsa istilik ötürülməsini azalda bilər. Buna görə LFR materiallarında məqsəd “heç oksid yaranmaması” deyil; adheziyası güclü, kifayət qədər nazik və sabit bir qoruyucu təbəqənin saxlanmasıdır.

12Cr-ODS poladı nədir?

ODS, “Oxide Dispersion Strengthened” yəni oksit dispersiyonla güçlendirilmiş çelik mənasına gəlir. Bu sinifdəki ferritik materiallarda nanometr ölçülü oksid hissəcikləri dislokasiya hərəkətini ve yüksək temperatur deformasiyasını məhdudlaşdıraraq sürünmə ve şüalanma dayanıqlığını artırmağı hədəfləyir.

Mənbə, 12Cr-ODS'nin performansını Y–Ti–O nanokümeleriyle əlaqələndirir. Lakin tədqiqatnın Table 1 kimyəvi tərkib cədvəlində Y, Ti ve O miqdarları verilməmişdir. Buna görə tədqiqatda sınaqdan keçirilən ODS parçacıklarının kimyəvi məzmunu yalnız bu cədvəldən istifadə etməklə yenidən qurula bilməz.

Dinamik LBE təcrübəsi necə aparıldı?

Təcrübə qurğusunda LBE bulunan qapalı kamera, argon atmosferi ve mərkəzi dönən mil mövcuddur. Nümunələr mile bağlı daşıyıcı üzərinə yerləşdirilmiş ve mil dövrü tənzimlənərək nümunə səthinin LBE'ye göre təxminən 3 m/s xətti sürətə çatması təmin edilmişdir.

Bu düzenek real boru daxilindəki 3 m/s bulk akışla tamamilə eyni hidrodinamik mühit deyil. Tədqiqat, fırlanma yolu ilə nümunə–LBE bağıl hızını simulyasiya edir. Dolayısı ilə real LFR konturlarındakı sərhəd təbəqəsi, turbulentlik ve geometriya təsirləri ayrıca doğrulanmalıdır.

LBE daxilində oksid təbəqəsi necə yaranır?

Kaynağın modelləşdirmə çərçivəsində LBE içinde polad səthində iki əsas oksid bölgəsi tərif edilir. Xarici təbəqə əsasən Fe₃O₄ magnetit kimi nəzərə alınır ve nisbətən məsaməlidir. Daxili təbəqə ise Fe–Cr spinel baxımından daha zəngin, daha sıx və qoruyucu bir bölgədir. Bazı ferritik/martensitik çeliklerde bunun altında Internal Oxidation Zone (IOZ) inkişaf edə bilər.

Sadə parabolik böyümə yanaşması:

\[ h^2=K_p t \]

şəklindədir. Burada \(h\) oksid təbəqəsi qalınlığı, \(K_p\) parabolik böyümə sabiti ve \(t\) zamandır. Bu əlaqə yalnız diffuziya ilə idarə olunan ideal böyüməni təmsil edir; axan LBE-nin mexaniki təbəqə uzaqlaşdırmasını birbaşa ehtiva etmir.

Tedmon modeli nə əlavə edir?

Oksit büyümesi ilə eyni zamanda səthdən material/oksid uzaqlaşmasını təmsil etmək üçün tədqiqat Tedmon yanaşmasını istifadə edir:

\[ \frac{dh}{dt}=\frac{K_p}{2h}-K_r \]

Burada \(K_r\), oksit tabakasının LBE'ye həllolmasi veya uzaklaştırılmasıyla əlaqəli termindir.

Dəmir axını için tədqiqatda Silverman tipi kütlə ötürmə əlaqəsi kullanılmıştır:

\[ j_{Fe} = 0.0177\, w^{0.875} d^{-0.125} \nu^{-0.579} D^{0.704} (c_{w,Fe}-c_{b,Fe}) \]

Burada \(w\) axın sürəti, \(d\) hidravlik/xarakterik diametr, \(\nu\) kinematik özlülük ve \(D\) diffuziya əmsalıdır.

Axın sürəti ilə düzəldilmiş model necə işləyir?

Tədqiqatnın kullandığı əsas model:

\[ \frac{dh}{dt} = \frac{\exp(Cu^x)K_p}{2h} -K_r -Du^y \tag{1} \]

şəklindədir. \(\exp(Cu^x)\) terimi yüksək axının interfeysdə oksigen kütlə ötürülməsini artıraraq oksid böyüməsini sürətləndirməsini; \(Du^y\) ise axın mənşəli mexaniki eroziya-korroziya təsirini temsil etmektedir.

Mənbə \(C=0.6717\), \(x=0.7437\), \(D=1.4901\times10^{-26}\) ve \(y=9.7656\times10^{-4}\) dəyərlərini verir ve bunları əvvəlki CORRIDA məlumatlarından əldə edilmiş uyğunlaşdırma parametrləri kimi tərif edir. Lakin modelde hız \(u\) ölçülü bir kəmiyyət olmasına baxmayaraq \(\exp(Cu^x)\) ifadəsinin necə ölçüsüzləşdirildiyi açıq şəkildə verilməmişdir. Bu durum modelin bağımsız yeniden uygulanmasında vahid tutarlılığı baxımından izah tələb edir.

Oksigen doyması mövzusunda mənbə niyə diqqət tələb edir?

Makalenin Tənlik (8)'i LBE'deki doygun oksijen derişimini:

\[ \lg(C_{O,sat}(\mathrm{wt.\%})) = 1.2-\frac{3400}{T} \qquad 673\,K<T<973\,K \]

olarak verir. 500 °C təxminən 773 K'dir. Bu tənlik bu sıcaklıkta təxminən \(6.3\times10^{-4}\) wt.% oksijen doygunluğuna qarşılıq gəlir.

Buna baxmayaraq 12Cr-ODS, T91 ve 316L müqayisə simulyasiyasında oksijen konsantrasyonu \(1\times10^{-6}\) wt.% olarak verilmişdir. Dolayısı ilə karşılaştırma simülasyonu, makalenin öz doymuşluq tənliyinə görə “doygun oksijen” şərti deyil.

Bundan əlavə mənbə oksidləşmə/həllolma mexanizmi üçün bəzi hədləri at.% cinsinden, simulyasiya girişini ise wt.% vahidi ilə ifadə edir. Vahid çevrilməsi göstərilmədən bu değerlerin birbaşa eyni şkalada şərh edilməsi uyğun deyil.

Tədqiqatın metodu və nəticələri

SEM və EDS nə göstərdi?

PDF'nin 10. ve 30–31. səhifələrindəki SEM kəsitlərində 1000 ve 2000 saatlik 12Cr-ODS nümunələrinin səth oksid təbəqələri görünür. 2000 saatlik nümunədə səth açıq şəkildə daha nizamsız və məsaməli görünür.

11. ve 32–33. sayfalardaki EDS səth/xətt analizləri Fe, Cr, O, Pb ve Bi'nin təbəqə boyunca paylanmasını göstərir. Müəlliflər bu paylanmanı dış Fe–O zəngin oksid, Fe–Cr–O ara təbəqə ve daha dərin iç oksidləşmə bölgəsi şəklində şərh edir.

Oksid təbəqəsi qalınlığında nə dəyişdi?

Orta qalınlığın azalmasına baxmayaraq maksimum kalınlığın büyümesi, səthin getdikcə daha heterogen hala gəldiyini göstərir. 2000 saatlik nümunəde bazı noktalarda ortalamadan sapma təxminən +13 µm'ye çıkmış ve lokal ucdəyərlər arasındakı fərq təxminən 40 µm'ye ulaşmıştır.

12. ve 36–37. sayfalardaki SEM görüntülərində oksid boyunca irəliləyən çatlaqlar ve lokal təbəqə ayrılmaları görünür. Mənbə bu yapıları 3 m/s LBE akışının yarattığı yüksək kəsmə gərginliyi ilə əlaqələndirir.

Kütlə niyə artarkən orta oksid qalınlığı azalır?

Kütlə artımı təxminən %67–68 yüksəlmişdir. Kaynağın yorumuna göre səthdə bəzi bölgələr axınla soyulub incələrkən çatlaqlardan oksigen daha dərin bölgələrə ulaşmakta ve yeni daxili oksidlər yaranır. Buna görə kəsitdən ölçülən orta həndəsi qalınlıq azala bildiyi halda bütün yüzeydeki ümumi oksigen qəbulu artabilir.

Müəlliflər vahid sahəyə düşən kütlə artımını orta oksid qalınlığına bölərək “ekvivalent səth sıxlığı” hesablamış ve təxminən 1000 saatte 2,35 g/cm³, 2000 saatte 4,33 g/cm³ dəyərlərini vermişdir. Bu kəmiyyət real oksid təbəqəsinin homogen bulk sıxlığı deyil; səth pürüzlülüyü, məsaməlilik, çatlaqlar ve daxili oksidləşmənin etkisini ehtiva edən dolayı göstəricidir.

Kütlə normallaşdırılmasında sahə qeyri-müəyyənliyi varmı?

Mənbə 2 cm × 1 cm nümunəyi “surface area = 2 cm²” olarak kabul ederek 0,0093 g / 2 cm² = 4,65 mg/cm² hesabını yapmaktadır. Lakin 2×1 cm düz kuponun iki əsas üzünün ümumi həndəsi sahəsi 4 cm²'dir; kənarlar da hesaba alınarsa alan daha da böyüyür. Makale yalnız bir üzün məruz qoyulub-qoyulmadığını veya digər üzlərin maskalanıb-maskalanmadığını izah etmir. Buna görə raporlanan mg/cm² dəyərləri mənbənin sahə tərifinə görə doğrudur, fakat yenidən istehsalda məruz qalan real səth sahəsinin aydınlaşdırılması gerekir.

Model təcrübə ilə nə qədər uyğunlaşdı?

Tədqiqat, yüksək sürətli akış nedeniyle ortalama tabakanın lokal olarak inceldiğini düşündüğü için model doğrulamasında orta əvəzinə maksimum oksid qalınlığını real qalınlıq referansı olarak istifadə etmişdir. Akış-hızı düzeltilmiş modelin eksperimental dəyərlərlə təxminən ±%25 xəta zolağı içində qaldığı bildirilir.

Bu nəticə modelin 12Cr-ODS deneyleriyle eyni böyüklük tərtibində proqnoz verdiyini dəstəkləyir; ancak “±%25” doğruluk oldukça geniş bir zolaqdır. Bundan əlavə maksimum qalınlığın validasiya hədəfi kimi seçilməsi, modelin orta oksid yükünü deyil, üst qalınlıq zərfini təmsil etdiyini düşündürür.

12Cr-ODS, T91 ve 316L necə müqayisə edildi?

T91 ve 316L aynı 1000/2000 saatlik düzende eksperimental olaraq sınaqdan keçirilməmişdir. Üç malzemenin müqayisəsi, aynı korroziya modelinin 500 °C, 2–3 m/s ve \(1\times10^{-6}\) wt.% oksijen girişləri altında işlədilməsi ilə aparılmışdır.

2 ve 2,5 m/s hesablamalarında 316L 5000 saat dolmadan 40 µm həddini aşarkən 12Cr-ODS ile T91 həddin altında qalır. 3 m/s'de bütün materialların oksit böyümə sürətləri yükselmektedir.

40 µm niyə kritik qəbul edilir?

Tədqiqat, əvvəlki LBE korroziya ədəbiyyatına əsaslanaraq 40 µm oksit kalınlığını istilik ötürülməsi baxımından kritik hədd kimi istifadə edir. Oksit tabakası metaldan daha aşağı istilik keçiriciliyinə malik olduğundan qalınlaşması temperatur fərqini və termal müqaviməti artıra bilər.

Lakin bu tədqiqat 40 µm'de gerçek bir istilik ötürmə əmsalı təcrübəsi aparmamışdır. Dolayısı ilə 40 µm, tədqiqatnın qəbul etdiyi ədəbiyyat əsaslı dizayn meyarıdır; bütün LFR bileşenleri, geometriler ve ısı akıları için universal fiziki hədd kimi şərh edilməməlidir.

12Cr-ODS həqiqətən ən yaxşı korroziya dayanıqlığınımı göstərdi?

Yalnız modeldəki oksid qalınlığı baxımından baxıldıqda, xeyr: T91 en düşük böyümə sürətini göstərir. 12Cr-ODS'nin tədqiqatın sonunda daha ümidverici uzunömürlü LFR malzemesi kimi qiymətləndirilməsinin səbəbi yalnız korroziya deyil.

Müəlliflər 12Cr-ODS'nin yüksək temperatur sürünmə dayanıqlığı ve şüalanma stabilliyini, T91'in daha məhdud yüksək temperatur sürünmə performansıyla; 316L'yi ise yüksək Ni tərkibi nedeniyle LBE'de həllolma ve ışınlama şişmesi riskləri ilə müqayisə edir. Dolayısı ilə tövsiyə çoxmeyarlı material seçimi şərhidir.

Tədqiqatın dəstəklədiyi və dəstəkləmədiyi nəticələr

Əsas məhdudiyyətlər

Eksperimental material müqayisəsi: Aynı koşullarda doğrudan deney yalnız 12Cr-ODS üçün aparılmışdır; T91 ve 316L nəticələri model əsaslıdır.

Uzun müddət: Ən uzun təcrübə 2000 saattir. LFR komponent ömürləri 10.000 saat və daha yüksək zaman miqyasında qiymətləndirilə bildiyindən modelin uzunmüddətli ekstrapolyasiyası hələ doğrulanmamışdır.

Oksigen şəraitləri: Deneyde “saturated oxygen” ifadəsi istifadə edilərkən müqayisəli simulyasiyada 1×10⁻⁶ wt.% kullanılmıştır; bu dəyər PDF-nin öz doymuşluq tənliyinə görə 500 °C-dəki doygunlukla uyğun gəlmir.

Axın bənzətməsi: Rotary testdəki 3 m/s bağıl hız real LBE loop geometriyasının bütün hidrodinamik xüsusiyyətlərini təmsil etmir.

Şüalanma: Neytron şüalanma zədəsi ile LBE korozyonunun birgə təsiri eksperimental olaraq sınaqdan keçirilməmişdir.

Oksid çatlaması: Çatlaqlar SEM ilə müşahidə edilsə də təbəqənin qopma gərginliyi və ya shear-stress həddi kəmiyyətcə modelləşdirilməmişdir.

Material tərkibi: 12Cr-ODS tərkib cədvəlində ODS'nin əsas Y–Ti–O dispersiya komponentləri raporlanmamışdır.

Mənbə və metod qeydi

Orijinal başlıq: Comparative Study on Oxidative Corrosion of 12Cr-ODS and T91, 316L in Dynamic LBE

Müəlliflər: Zhenhao Guo, Fang Liu, Huan Luo, Zhijian Guan, Zhenhua Sheng, Zhengyi Ben, Xin Li, Huiping Zhu.

Birinci müəllif: Zhenhao Guo.

Məsul müəllif: Fang Liu.

Qurum: Beijing Key Laboratory of Passive Safety Technology for Nuclear Energy, School of Nuclear Science and Engineering, North China Electric Power University, Beijing, China.

Mənbə növü: Hakem rəyindən keçməmiş SSRN preprinti.

SSRN Abstract ID: 6909081.

DOI: 10.2139/ssrn.6909081.

SSRN yüklənmə tarixi: 10 Haziran 2026.

Səhifə sayı: 37.

Hakemli nəşr statusu: Cari biblioqrafik taramada eyni başlığın ayrı bir hakemli jurnal versiyası doğrulanmamışdır.

Müəllif hüququ: SSRN kaydı “all rights reserved; no reuse allowed without permission” statüsünü göstərir. SEM/EDS görüntüleri veya grafikler birebir kopyalanmamalıdır; Verianla üçün elmi əlaqələr özgün şəkildə yenidən çəkilməlidir.

Maliyyələşmə: National Key R&D Program of China, No. 2022YFB1902503.

Maraqlar toqquşması: Müəlliflər tədqiqatyı etkileyebilecek məlum mali maraq və ya şəxsi əlaqə olmadığını bildirir.

CRediT: Zhenhao Guo — writing-original draft ve review/editing; Fang Liu — review/editing; Huan Luo — review/editing; Zhijian Guan, Zhenhua Sheng, Zhengyi Ben, Xin Li ve Huiping Zhu — çeşitli düzeylerde review/editing katkıları.

Mənbədaxili kritik QA qeydləri:

Vizual yenidən çəkmə uyğunluğu: Çox yüksək. Döner LBE korozyon düzeneği, 12Cr-ODS kesitinde magnetit–Fe/Cr spinel–iç oksidləşmə tabakaları, 1000→2000 saat çatlak/soyulma mekanizması ve 12Cr-ODS–T91–316L'nin 40 µm eşiğine yaklaşımını gösteren özgün bir Verianla texniki infoqrafikası hazırlana bilər.

Verianla Live uyğunluğu: Çox yüksək. Xüsusilə 19,8→18,0 µm orta qalınlıq dəyişməsi, 4,65→7,80 mg/cm² kütlə artımı, min–average–max müqayisəsi ve 3 m/s'deki 3044/4355 saatlik 40 µm hədd müddətləri Live Data / Live Compare formatına uyğundur.