ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОРРОЗИИ ZrBe₂ В ПАРАХ ТЯЖЕЛОЙ ВОДЫ

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):

1. Nakamichi 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.2011.03.009

2. Kim 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.2019.04.054

3. Mukai 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.2022.118428

4. Singh 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.76.075120

5. Shein 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/10.1134/1.1427944

6. 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.202114303

7. 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/10.5006/0010-9312-20.10.307t

8. 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/BF02647411

9. Miyamoto 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.2021.101014

10. 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.

11. 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.2004.04.297

12. 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.2021.153431

13. 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-X

14. Nakamichi, 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.2015.10.018

15. Kim 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.2019.03.042

16. Ervin G., Nakata M. M. J. Electrochem. Soc. – 1963. – Vol. 110. – P. 1103–1110.

17. Yergazy 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.2024.101634101634

18. Okamoto 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/s11669-007-9179-6

19. Ponkratov 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/ectj787

20. Давыдов 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.

21. 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-070214-020951