nucВестник НЯЦ РКNNC RK Bulletin1729-75161729-7885Национальный ядерный центр Республики Казахстан10.52676/1729-7885-2024-2-146-155nuc-662Research ArticleСтатьиИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОРРОЗИИ ZrBe2 В ПАРАХ ТЯЖЕЛОЙ ВОДЫSTUDYING PROCESSES OF ZrBe2 CORROSION IN HEAVY WATER VAPORГордиенкоЮ. Н.GordiyenkoYu. N.

начальник лаборатории внутриканальных испытаний,

Курчатов

Kurchatov

gordienko@nnc.kzКульсартовТ. В.KulsarovT. V.

Курчатов

Kurchatov

БочковВ. С.BochkovV. S.

инженер 1-й категории, лаборатория внутриканальных испытаний,

Курчатов

Kurchatov

bochkovv@nnc.kzЗаурбековаЖ. А.ZaurbekovaZh. A.

научный сотрудник, лаборатория внутриканальных испытаний,

Курчатов

Kurchatov

zaurbekova@nnc.kzПонкратовЮ. В.PonkratovYu. V.

заместитель начальника, лаборатория внутриканальных испытаний,

Курчатов

Kurchatov

ponkratov@nnc.kzСамархановК. К.SamarkhanovK. K.

научный сотрудник, лаборатория внутриканальных испытаний,

Курчатов

Kurchatov

samarkhanov@nnc.kzУдарцевС. В.UdartsevS. V.

Усть-Каменогорск

Ust-Kamenogorsk

Филиал «Институт атомной энергии» НЯЦ РККазахстанInstitute of Atomic Energy Branch of NNC RKKazakhstanАО «Ульбинский металлургический завод»КазахстанUlba Metallurgical Plant, JSCKazakhstan20243006202402146155Copyright © Гордиенко Ю.Н., Кульсартов Т.В., Бочков В.С., Заурбекова Ж.А., Понкратов Ю.В., Самарханов К.К., Ударцев С.В., 20242024Гордиенко Ю.Н., Кульсартов Т.В., Бочков В.С., Заурбекова Ж.А., Понкратов Ю.В., Самарханов К.К., Ударцев С.В.Gordiyenko Y.N., Kulsarov T.V., Bochkov V.S., Zaurbekova Z.A., Ponkratov Y.V., Samarkhanov K.K., Udartsev S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journals.nnc.kz/jour/article/view/662

В данной работе представлены результаты эксперимента по исследованию процессов коррозии бериллида ZrBe2 при продувке образца стационарным потоком парогазовой среды Ar+D2O в условиях тепловых нагрузок. Бериллид ZrBe2 рассматривается как один из перспективных материалов при использовании в различных отраслях промышленности, науки и технике, в том числе термоядерной энергетике. Интерес к изучению процессов коррозии бериллидов в условиях продувки инертными газами, с примесями паров воды разного изотопного состава (Н2О и D2O) обусловлен необходимостью понимания процессов, возникающих при таком взаимодействии.

Коррозионный эксперимент с образцом ZrBe2 проводился на приборе синхронного термогравиметрического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии TGA/DSC 3+ производства компании Mettler-Toledo (Швейцария) в комплекте с квадрупольным масс-спектрометром Pfeiffer ThermoStar, в температурном диапазоне от 100 °С до 1200 °С. В качестве объекта исследования был выбран измельченный, промышленно изготовленный бериллид циркония, производства АО «Ульбинский металлургический завод» (г. Усть-Каменогорск, Казахстан).

В результате анализа экспериментальных данных предложен механизм взаимодействия паров тяжелой воды с бериллидом циркония и получено уравнение для определения константы скорости коррозии ZrBe2 в процессе взаимодействия с парами тяжелой воды при продувке парогазовой смесью (Ar+D2O):

This paper presents the results of an experiment to study the processes of ZrBe2 beryllyde corrosion when purging a sample with a stationary flow of Ar+D2O vapor-gas medium under thermal loads. ZrBe2 beryllide is considered as one of the promising materials for the use in various industries, science and technology, including thermonuclear energy. The interest in studying the processes of beryllides corrosion under conditions of purging with inert gases, with impurities of the water vapor of different isotopic compositions (H2O and D2O) is due to the need to understand the processes arising from such interaction.

The corrosion experiment with the ZrBe2 sample was carried out on a TGA/DSC 3+ synchronous thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry device manufactured by Mettler-Toledo (Switzerland), complete with a Pfeiffer ThermoStar quadrupole mass spectrometer, in the temperature range from 100 °C to 1200 °C. Crushed, industrially manufactured zirconium beryllide produced by Ulba Metallurgical Plant, JSC (Ust-Kamenogorsk, Kazakhstan) was chosen as the object of study.

As a result of the analysis of the experimental data, a mechanism for the interaction of the heavy water vapor with zirconium beryllide has been proposed and an equation has been obtained for determining the ZrBe2 corrosion rate constant during the interaction with heavy water vapor during purging with a vapor-gas mixture (Ar+D2O):

бериллид циркониякоррозияпары тяжелой водыоксид бериллияоксид цирконияоксидная пленкаzirconium beryllidecorrosionheavy water vaporberyllium oxidezirconium oxideoxide filmДанная работа была выполнена при финансовой поддержке Комитета науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан по гранту № АР14870785.ReferencesNakamichi M., Yonehara K., Wakai D. Trial fabrication of beryllides as advanced neutron multiplier // Fusion Eng. Des. – 2011. – Vol. 86. – P. 2262–2264. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2011.03.009Nakamichi M., Yonehara K., Wakai D. Trial fabrication of beryllides as advanced neutron multiplier // Fusion Eng. Des. – Volume 86. – 2011. – P. 2262–2264. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2011.03.009Kim J.H., Nakamichi M. Characterization of modified Be13Zr beryllide pebbles as advanced neutron multipliers // Fusion Eng. Des. Part B. – 2019. – Vol. 146. – P. 2608–2612. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2019.04.054Kim J.H., Nakamichi M. Characterization of modified Be13Zr beryllide pebbles as advanced neutron multipliers // Fusion Eng. Des. – Volume 146, Part B. – 2019. – P. 2608–2612. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2019.04.054Mukai K., Kasada R., Kim J.H., Nakamichi M. Electronic descriptors for vacancy formation and hydrogen solution in Be-rich intermetallics // Acta Mater. – 2022. – Vol. 241.– Аrt 118428. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118428Mukai K., Kasada R., Kim J.H., Nakamichi M. Electronic descriptors for vacancy formation and hydrogen solution in Be-rich intermetallics // Acta Mater. – Volume 241. – 2022. – Аrt 118428. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118428Singh D.J., Gupta M. Anomalous structural behavior and electronic structure in ZrBe2Hx: Density functional calculations // Phys. Rev. B. – 2007. – Vol. 76.– Art. 075120. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.075120Singh D.J., Gupta M. Anomalous structural behavior and electronic structure in ZrBe2Hx: Density functional calculations // Phys. Rev. B.– Volume 76. – 2007.– Art. 075120. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.075120Shein I.R., Medvedeva N.I., Ivanovskii. A.L. The band structures of superconducting MgB2 and the isostructural compounds CaGa2, AgB2, AuB2, ZrBe2, and HfBe2 // Phys. Solid State. – 2001. – Vol. 43.– P. 2213–2218. https://doi.org/10.1134/1.1427944Shein I.R., Medvedeva N.I., Ivanovskii. A.L. The band structures of superconducting MgB2 and the isostructural compounds CaGa2, AgB2, AuB2, ZrBe2, and HfBe2 // Phys. Solid State. – Volume 43. – 2001. – P. 2213-2218. https://doi.org/10.1134/1.1427944.Goesten M.G. Be–Be π-bonding and predicted superconductivity in MBe2 (M= Zr, Hf) // Angew Chem. Int. Ed. Engl. – 2022. – Vol. 61(43). – P. e202114303. https://doi.org/10.1002/ange.202114303Goesten M.G. Be–Be π-bonding and predicted superconductivity in MBe2 (M= Zr, Hf) // Angew Chem Int Ed Engl. – 61(43). – 2022. –P. e202114303. https://doi.org/10.1002/ange.202114303.Paine R.M., Stonehouse A.J, Beaver W.W. High temperature oxidation resistance of the beryllides // Corrosion. – 1964. – Vol. 20 (10). – P. 307t–313t. https://doi.org/10.5006/0010-9312-20.10.307tPaine R.M.,.Stonehouse A.J, Beaver W.W. High temperature oxidation resistance of the beryllides // Corrosion. – Volume 20 (10). – 1964. – P. 307t-t313. https://doi.org/10.5006/0010-9312-20.10.307t.Fleischer R.L., Zabala R.J. Mechanical properties of high-temperature beryllium intermetallic compounds // Metall. Trans. A. – 1989. – Vol. 20. – P. 1279–1282. https://doi.org/10.1007/BF02647411Fleischer R.L., Zabala R.J. Mechanical properties of high-temperature beryllium intermetallic compounds // Metall. Trans. A. – Volume 20. – 1989. – P. 1279–1282. https://doi.org/10.1007/BF02647411Miyamoto M., Sugimoto Y., Nishijima D., Baldwin M.J., Doerner R.P., Zaloznik A., Kim J.H., Nakamichi M. Comparative study of surface modification and D retention between beryllium and beryllides under high flux plasma exposure // Nuclear Materials and Energy. – 2021.– Vol. 27. – P. 101014. https://doi.org/10.1016/j.nme.2021.101014Miyamoto M., Sugimoto Y., Nishijima D., Baldwin M.J., Doerner R.P., Zaloznik A., Kim J.H., Nakamichi M. Comparative study of surface modification and D retention between beryllium and beryllides under high flux plasma exposure //Nuclear Materials and Energy. – Volume 27. – June 2021. – 101014. https://doi.org/10.1016/j.nme.2021.101014.Mishima Yoshinao, Yoshida Naoaki, Takahash Heishichiro, Ishida Kiyohito, Kawamura Hiroshi, Iwadachi Takaharu, Shibayama Tamaki, Ohnuma Ikuo, Sato Yoshiyuki, Munakata Kenzo, Iwakiri Hirotomo, Uchida Munenori Present status of beryllides for fusion and industrial applications in Japan // Fusion Engineering and Design. – 2007. – Vol. 82, Issue 1.– P. 91–97. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2006.07.091.Mishima Yoshinao, Yoshida Naoaki, Takahash Heishichiro, Ishida Kiyohito, Kawamura Hiroshi, Iwadachi Takaharu, Shibayama Tamaki, Ohnuma Ikuo, Sato Yoshiyuki, Munakata Kenzo, Iwakiri Hirotomo, Uchida Munenori Present status of beryllides for fusion and industrial applications in Japan // Fusion Engineering and Design. – Volume 82, Issue 1. – 2007. – P. 91–97. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2006.07.091.Kawamura H, Takahashi H, Yoshida N, Mishima Y, Ishida K, Iwadachi T, Cardella A., van der Laan J.G, Uchida M., Munakata K., Sato Y., Shestakov V., Tanaka S. Resent status of beryllide R&D as neutron multiplier // Journal of Nuclear Materials. – 2004. – Vol. 329–333, Part A. – P. 112–118. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2004.04.297Kawamura H, Takahashi H, Yoshida N, Mishima Y, Ishida K, Iwadachi T, Cardella A., van der Laan J.G, Uchida M., Munakata K., Sato Y., Shestakov V., Tanaka S. Resent status of beryllide R&D as neutron multiplier // Journal of Nuclear Materials. – Volumes 329–333, Part A. – 2004. – P. 112–118. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2004.04.297.Kinga D.J.M., Knowles A.J., Bowden D., Wenman M.R., Capp S., Gorley M., Shimwell J., Packer L., Gilbert M.R., Harte A. Review High temperature zirconium alloys for fusion energy // Journal of Nuclear Materials. – 2022. – Vol. 559. – P. 153431. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.153431Kinga D.J.M., Knowles A.J., Bowden D., Wenman M.R., Capp S., Gorley M., Shimwell J., Packer L., Gilbert M.R., Harte A. Review High temperature zirconium alloys for fusion energy // Journal of Nuclear Materials. – Volumes 559. – 2022. – 153431. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.153431.Forty B.A., Karditsas P.J. Uses of zirconium alloys in fusion applications // Journal of Nuclear Materials. – December 2000. – Vol. 283–287, Part 1. – P. 607–610. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(00)00146-XForty B.A., Karditsas P.J. Uses of zirconium alloys in fusion applications // Journal of Nuclear Materials Volumes 283–287, Part 1. – December 2000. – P. 607-610. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(00)00146-XNakamichi, M., Kim J. H., & Ochiai K. Beryllide pebble fabrication of Be–Zr compositions as advanced neutron multipliers // Fusion Engineering and Design. – 2016. Vol. 109–111. – P. 1719–1723. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.10.018Nakamichi, M., Kim J. H., & Ochiai K. Beryllide pebble fabrication of Be–Zr compositions as advanced neutron multipliers // Fusion Engineering and Design. Volumes 109-111. – 2016. – P. 1719–1723. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.10.018Kim J.-H., & Nakamichi M. Anomalous oxidation behavior in a zirconium beryllium intermetallic compound // Journal of Nuclear Materials. – 2019. – Vol. 519. – P. 182–187. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2019.03.042Kim J.-H., & Nakamichi M. Anomalous oxidation behavior in a zirconium beryllium intermetallic compound // Journal of Nuclear Materials. – Volume 519. – 2019. – P. 182–187. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2019.03.042Ervin G., Nakata M. M. J. Electrochem. Soc. – 1963. – Vol. 110. – P. 1103–1110.Ervin G., Nakata M. M. J. \ Electrochem. Soc. – Volume 110. – 1963. –P. 1103–1110Yergazy Kenzhin, Inesh Kenzhina, , Timur Kulsartov, Zhanna Zaurbekova, Saulet Askerbekov, , Yuriy Ponkratov, Yuriy Gordienko, Alexandr Yelishenkov, Sergey Udartsev Study of hydrogen sorption and desorption processes of zirconium beryllide ZrBe2 // J. Nuclear Materials and Energy. – 2024. – Vol. 39. – P. 101634. https://doi.org/10.1016/j.nme.2024.101634101634Yergazy Kenzhin, Inesh Kenzhina, , Timur Kulsartov, Zhanna Zaurbekova, Saulet Askerbekov, , Yuriy Ponkratov, Yuriy Gordienko, Alexandr Yelishenkov, Sergey Udartsev Study of hydrogen sorption and desorption processes of zirconium beryllide ZrBe2. // J. Nuclear Materials and Energy. – Volume 39. – 2024. – 101634 https://doi.org/10.1016/j.nme.2024.101634 101634Okamoto H., Tanner L.E, and Abriata J.P. “The Be-Zr (Beryllium-Zirconium) System,” Phase Diagrams of Binary Beryllium Alloys // ASM International, Metals Park, OH. – 1987. – P. 223–229. https://doi.org/10.1007/s11669-007-9179-6Okamoto H., Tanner L.E, and Abriata J.P. “The Be-Zr (Beryllium-Zirconium) System,” Phase Diagrams of Binary Beryllium Alloys // ASM International, Metals Park, OH. – 1987. – P. 223–229. https://doi.org/10.1007/s11669-007-9179-6Ponkratov Yu.V., Bochkov V. S., Samarkhanov K.K., Karambayeve I.S. Methodology of Corrosion Testing of Nuclear and Fusion Reactors Materials Using TGA/DSC and MS Complex Techniques // Eurasian Chemico-Technological Journal. – 2019. – Vol. 21 (1). – P. 35–40. https://doi.org/10.18321/ectj787Ponkratov Yu.V., Bochkov V. S., Samarkhanov K.K., Karambayeve I.S. Methodology of Corrosion Testing of Nuclear and Fusion Reactors Materials Using TGA/DSC and MS Complex Techniques. // Eurasian Chemico-Technological Journal. – Volume 21 (1). – 2019. – P. 35–40. https://doi.org/10.18321/ectj787Давыдов Д.А, Холопова О.В. Образование и деградация оксидных пленок бериллия // Вопросы атомной науки и техники. Серия Термоядерный синтез. – вып. 2. – 2010. – С. 39–49.Davydov D.A, Kholopova O.V. Formation and degradation of beryllium oxide films // Questions of atomic science and technology. Series Thermonuclear Fusion. – issue 2. – 2010. – P.39–49.Arthur T. Motta, Adrien Couet, and Robert J. Comstock Corrosion of Zirconium Alloys Used for Nuclear Fuel Cladding // Annu. Rev. Mater. Res. – 2015. – Vol. 45. – P. 311–43. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070214-020951Arthur T. Motta,1 Adrien Couet,1 and Robert J. Comstock Corrosion of Zirconium Alloys Used for Nuclear Fuel Cladding // Annu. Rev. Mater. Res. – Volume 45. – 2015. – P. 311–43. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070214-020951

The authors declare that there are no conflicts of interest present.