MeltsMeltsРасплавы0235-01063034-5715The Russian Academy of Sciences66127810.31857/S0235010623040035XFTQCAArticlesСтатьиCORROSION BEHAVIOR OF 12Cr18Ni10Ti STEEL IN LiCl–KCl MELT CONTAINING ADDITIVES OF f-ELEMENT CHLORIDESКоррозионное поведение стали 12Х18Н10Т в расплаве LiCl–KCl, содержащем добавки хлоридов f-элементовKarfidovE. A.КарфидовЭ. А.neekeetina@mail.ruNikitinaE. V.НикитинаЕ. В.neekeetina@mail.ruSeliverstovK. E.СеливерстовК. Е.neekeetina@mail.ruMushnikovP. N.МушниковП. Н.neekeetina@mail.ruKarimovK. R.КаримовК. Р.neekeetina@mail.ruInstitute of High-Temperature Electrochemistry of the UB of the RASИнститут высокотемпературной электрохимии УрО РАН01072023437738425022025Copyright ©; 2023, Э.А. Карфидов, Е.В. Никитина, К.Е. Селиверстов, П.Н. Мушников, К.Р. КаримовCopyright ©; 2023, Э.А. Карфидов, Е.В. Никитина, К.Е. Селиверстов, П.Н. Мушников, К.Р. Каримов2023Э.А. Карфидов, Е.В. Никитина, К.Е. Селиверстов, П.Н. Мушников, К.Р. КаримовЭ.А. Карфидов, Е.В. Никитина, К.Е. Селиверстов, П.Н. Мушников, К.Р. Каримовhttps://journals.eco-vector.com/0235-0106/article/view/661278

When reprocessing spent nuclear fuel, it is supposed to use LiCl–KCl melt (0.49:0.51) in an inert atmosphere, all metal materials in this salt melt are extremely susceptible to corrosion, besides, during the processing of spent fuel, both the liquid (melt) and the gas phase are saturated with decay products that can act as additional oxidizing agents, increasing the aggressiveness of the environment. The pyrochemical technology of SNF includes operations such as soft chlorination, electrofining and metallization, implying the presence in the melt of compounds of chlorides of rare earth metals lanthanum, cerium and neodymium, as well as uranium(III, IV) chlorides. In this work, the corrosion behavior of 12CR18NI10TI steel in LiCl–KCl melt containing NdCl3, CeCl3, LaCl3, UCl3 and UCl4 additives up to 2 wt % was investigated. Corrosion tests lasting 100 hours were performed at a temperature of 500°C in an inert argon atmosphere. It was found that the presence of REM chlorides significantly reduces the degradation of the steel under study. The addition of (REM)Cl3 leads to the formation of a compound (REM) on the surface of the samples OCl, the thickness and continuity of which increases in the following row: LaCl3 < NdCl3 < CeCl3. The formation of such a compound leads to the inhibition of the corrosion process of steel 12CR18NI10TI due to salt passivation of the surface. The addition of UF4 to the melt causes significant corrosion of 12CR18NI10TI intercrystalline steel. The introduction of UF3 into the melt leads to a decrease in the corrosion rate, which is associated with the predominant interaction of trivalent uranium chloride with dissolved molecular oxygen contained in the melt, and the formation of a non-stoichiometric compound with the crystal chemical formula U3O7 on the surface of samples according to microrentgenospectral analysis.

При переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) предполагается использовать расплав LiCl–KCl (0.49 : 0.51) в инертной атмосфере. Все металлические материалы в данном солевом расплаве крайне подвержены коррозии, к тому же в процессе переработки ОЯТ как жидкая фаза (расплав), так и газовая, насыщаются продуктами распада, которые могут выступать в качестве дополнительных окислителей, усиливая агрессивность среды. В пирохимическую технологию ОЯТ включены операции, такие как мягкое хлорирование, электрорафинирование и металлизация, подразумевающие наличие в расплаве соединений хлоридов редкоземельных металлов (РЗМ) лантана, церия и неодима, а также хлоридов урана(III, IV). В данной работе было исследовано коррозионное поведение стали 12Х18Н10Т в расплаве LiCl–KCl, содержащем добавки NdCl3, CeCl3, LaCl3, UCl3 и UCl4 до 2 мас. %. Коррозионные испытания длительностью 100 ч были выполнены при температуре 500°С в инертной атмосфере аргона. Было установлено, что наличие хлоридов РЗМ значительно снижает деградацию исследуемой стали. Добавление (РЗМ)Cl3 проводит к формированию на поверхности образцов соединения (РЗМ)OCl, толщина и сплошность которых увеличивается в следующем ряду: LaCl3 < NdCl3 < CeCl3. Формирование подобного соединения приводит к торможению коррозионного процесса стали 12Х18Н10Т за счет солевой пассивации поверхности. Добавление в расплав UF4 вызывает значительную коррозию стали 12Х18Н10Т межкристаллитного типа. Введение в расплав UF3 приводит к снижению скорости коррозии, что связано с преимущественным взаимодействием трехвалентного хлорида урана с содержащимся в расплаве растворенным молекулярным кислородом, и формированию на поверхности образцов нестехиометрического соединения с кристаллохимической формулой U3O7 по данным микрорентгеноспектрального анализа.

corrosionalkali metal chloridesspent nuclear fuelкоррозияхлориды щелочных металловотработавшее ядерное топливо1. Smirnov M.V., Ozeryanaya I.N. Korroziya metallov v rasplavlennykh solevykh sredakh i zashchita ot korrozii [Corrosion of metals in molten salt media and protection against corrosion] // Korroziya i zashchita metallov. Itogi nauki i tekhniki. 1973. 2. P. 171–209. [In Russian].Смирнов М.В., Озеряная И.Н. Коррозия металлов в расплавленных солевых средах и защита от коррозии // Коррозия и защита металлов. Итоги науки и техники. 1973. 2. С. 171–209.2. Kochergin V.P. Zashchita metallov ot korrozii v ionnykh rasplavakh i rastvorakh elektrolitov [Protection of metals from corrosion in ionic melts and electrolyte solutions]. Yekaterinburg: Izd-vo UrGU, 1991. [In Russian].Кочергин В.П. Защита металлов от коррозии в ионных расплавах и растворах электролитов. Екатеринбург: Изд-во УрГУ, 1991.3. Abramov A.V., Polovov I.B., Rebrin O.I., Volkovich V.A., Lisienko D.G. Corrosion behavior of austenitic steels and their components in niobium-containing chloride melts // Russian Metallurgy. 2014. № 2. P. 159–165.Abramov A.V., Polovov I.B., Rebrin O.I., Volkovich V.A., Lisienko D.G. Corrosion behavior of austenitic steels and their components in niobium-containing chloride melts // Russian Metallurgy. 2014. № 2. P. 159–165.4. Nikitina Ye.V., Tkacheva O.Yu., Karfidov E.A., Rudenko A.V., Mullabayev A.R., Medvedev D.A. Vysokotemperaturnaya korroziya v rasplavlennykh solyakh: uch. Posobiye [High-temperature corrosion in molten salts: a textbook]. Yekaterinburg: Izd-vo Ural’skogo universiteta. [In Russian].Никитина Е.В., Ткачева О.Ю., Карфидов Э.А., Руденко А.В., Муллабаев А.Р., Медведев Д.А. Высокотемпературная коррозия в расплавленных солях: уч. пособие. Екатеринбург: Изд-во Уральского университета. 2021.5. Guo Sh., Zhang J., Wu W., Zhou W. // Progress in Materials Science. 2018. 97. P. 448–487. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2018.05.003Guo Sh., Zhang J., Wu W., Zhou W. // Progress in Materials Science. 2018. 97. P. 448–487. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2018.05.0036. Wang Y., Zhang Sh., Ji X., Wang P., Li W. // Int. J. Electrochem. Sci. 2018. 13. Р. 4891–4900. https://doi.org/10.20964/2018.05.33Wang Y., Zhang Sh., Ji X., Wang P., Li W. // Int. J. Electrochem. Sci. 2018. 13. P. 4891–4900. https://doi.org/10.20964/2018.05.337. Lambrinou K., Charalampopoulou E., Van der Donck T., Delville R., Schryvers D. // J. Nuclear Materials. 2017. 490. P. 9–27. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.04.004Lambrinou K., Charalampopoulou E., Van der Donck T., Delville R., Schryvers D. // J. Nuclear Materials. 2017. 490. P. 9–27. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.04.0048. Knödler R. // J Appl Electrochem. 1988. 18. Р. 653–656. https://doi.org/10.1007/BF01022265Knödler R. // J Appl Electrochem. 1988. 18. P. 653–656. https://doi.org/10.1007/BF010222659. Shulga A.V. // J. Nuclear Materials. 2008. 373. № 1–3. P. 44–52. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2007.04.050Shulga A.V. // J. Nuclear Materials. 2008. 373. № 1–3. P. 44–52. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2007.04.05010. Raiman S.S., Bartels D.M., Was G.S. Radiolysis driven changes to oxide stability during irradiation-corrosion of 316L stainless steel in high temperature water // J. Nuclear Materials. 2017. 493. Р. 40–52.Raiman S.S., Bartels D.M., Was G.S. Radiolysis driven changes to oxide stability during irradiation-corrosion of 316L stainless steel in high temperature water // J. Nuclear Materials. 2017. 493. P. 40–52.11. Kim S.T., Jeon S., Lee I., Park, Y. Effects of rare earth metals addition on the resistance to pitting corrosion of super duplex stainless steel – Part 1. // Corrosion Science. 2010. 52. Р. 1897–1904.Kim S.T., Jeon S., Lee I., Park, Y. Effects of rare earth metals addition on the resistance to pitting corrosion of super duplex stainless steel – Part 1. // Corrosion Science. 2010. 52. P. 1897–1904.12. Gou J., Wang Y., Li X., Zhou F. Effect of rare earth oxide nano-additives on the corrosion behavior of Fe-based hardfacing alloys in acid, near-neutral and alkaline 3.5 wt % NaCl solutions // Applied Surface Science. 2018. 431. Р. 143–151.Gou J., Wang Y., Li X., Zhou F. Effect of rare earth oxide nano-additives on the corrosion behavior of Fe-based hardfacing alloys in acid, near-neutral and alkaline 3.5 wt % NaCl solutions // Applied Surface Science. 2018. 431. P. 143–151.13. Raiman S.S., Lee S. Aggregation and data analysis of corrosion studies in molten chloride and fluoride salts // J. Nuclear Materials. 2018. 511. Р. 523–535.Raiman S.S., Lee S. Aggregation and data analysis of corrosion studies in molten chloride and fluoride salts // J. Nuclear Materials. 2018. 511. P. 523–535.14. Ukshe Ye.A., Leonova L.S., Bukun N.G. Gazy v rasplavlennykh solyakh [Gases in molten salts] // Sb. Ionnyye rasplavy. 1974. № 1. [In Russian].Укше Е.А., Леонова Л.С., Букун Н.Г. Газы в расплавленных солях // Сб. Ионные расплавы. 1974. № 1.15. Nikolayeva Ye.V. Kinetika katodnogo vosstanovleniya kisloroda v rasplavlennykh khloridakh shchelochnykh metallov [Kinetics of cathodic oxygen reduction in molten alkali metal chlorides]. Dissertation for the degree of Ph.D. Yekaterinburg, 2001. [In Russian].Николаева Е.В. Кинетика катодного восстановления кислорода в расплавленных хлоридах щелочных металлов. Дис. … на соиск. ст. к. х. н. Екатеринбург, 2001.16. Hofmeister M., Klein L., Miran H., Rettig R., Virtanen S., Singer R.F. Corrosion behavior of stainless steels and a single crystal superalloy in a ternary LiCl–KCl molten salt // Corrosion Science. 2015. 90. Р. 46–53.Hofmeister M., Klein L., Miran H., Rettig R., Virtanen S., Singer R.F. Corrosion behavior of stainless steels and a single crystal superalloy in a ternary LiCl–KCl molten salt // Corrosion Science. 2015. 90. P. 46–53.17. Hoover R.O., Shaltry M.R., Martin S., Sridharan K., Phongikaroon S. Electrochemical studies and analysis of 1–10 wt % UCl3 concentrations in molten LiCl–KCl eutectic // J. Nuclear Materials. 2014. 452. Р. 389–396.Hoover R.O., Shaltry M.R., Martin S., Sridharan K., Phongikaroon S. Electrochemical studies and analysis of 1–10 wt % UCl3 concentrations in molten LiCl–KCl eutectic // J. Nuclear Materials. 2014. 452. P. 389–396.18. Luo L.-X., Liu Y.-L., Liu N., Wang L., Yuan L.-Y., Chai Z.-F., Shi W.-Q. Electrochemical and thermodynamic properties of Nd (III)/Nd (0) couple at liquid Zn electrode in LiCl–KCl melt // Electrochimica Acta. 2016. 191. Р. 1026–1036.Luo L.-X., Liu Y.-L., Liu N., Wang L., Yuan L.-Y., Chai Z.-F., Shi W.-Q. Electrochemical and thermodynamic properties of Nd(III)/Nd (0) couple at liquid Zn electrode in LiCl–KCl melt // Electrochimica Acta. 2016. 191. P. 1026–1036.19. Liu Y.-L., Yuan L.-Y., Ye G.-A. et al. Co-reduction behaviors of lanthanum and aluminum ions in LiCl–KCl eutectic // Electrochimica Acta. 2014. 147. Р. 104–113.Liu Y.-L., Yuan L.-Y., Ye G.-A. et al. Co-reduction behaviors of lanthanum and aluminum ions in LiCl–KCl eutectic // Electrochimica Acta. 2014. 147. P. 104–113.20. Bagri P., Simpson M.F. Potentiometric measurement of activity of rare earth chlorides (La, Gd, Ce, Nd) in LiCl–KCl eutectic salt // Electrochimica Acta. 2018. 259. Р. 1120–1128.Bagri P., Simpson M.F. Potentiometric measurement of activity of rare earth chlorides (La, Gd, Ce, Nd) in LiCl–KCl eutectic salt // Electrochimica Acta. 2018. 259. P. 1120–1128.21. Delpech S., Jaskieowicz S., Rodrigues D. Electrochemistry of thorium fluoride in LiCl–KCl eutectic melts and methodology for speciation studies with fluorides ions // Electrochimica Acta. 2014. 144. Р. 383–390.Delpech S., Jaskieowicz S., Rodrigues D. Electrochemistry of thorium fluoride in LiCl–KCl eutectic melts and methodology for speciation studies with fluorides ions // Electrochimica Acta. 2014. 144. P. 383–390.22. Kumar K., Smith N.D., Lichtenstein T., Kim H. Electrochemical studies of molten sulfates in LiCl–KCl–Na2SO4 at 700°C // Corrosion Science. 2018. 133. Р. 17–24.Kumar K., Smith N. D., Lichtenstein T., Kim H. Electrochemical studies of molten sulfates in LiCl–KCl–Na2SO4 at 700°C // Corrosion Science. 2018. 133. P. 17–24.23. Bargi P., Simpson M.F. Determination of activity coefficient of lanthanum chloride in molten LiCl–KCl eutectic salt as a function of cerium chloride and lanthanum chloride concentrations using electromotive force measurements // J. Nuclear Materials. 2016. 482. P. 248–256.Bargi P., Simpson M.F. Determination of activity coefficient of lanthanum chloride in molten LiCl–KCl eutectic salt as a function of cerium chloride and lanthanum chloride concentrations using electromotive force measurements // J. Nuclear Materials. 2016. 482. P. 248–256.24. Guo Gh., Zhuo W., Wang Y., Zhang J. Europium indeced alloy corrosion and ckacking in molten chloride media for nuclear applications // Corrosion Science. 2020. 163. 108279.Guo Gh., Zhuo W., Wang Y., Zhang J. Europium indeced alloy corrosion and ckacking in molten chloride media for nuclear applications // Corrosion Science. 2020. 163. 108279.25. Barraza-Fierro J.I., Espinosa-Medina M.A., Hernandez-Hernandez M., Liu H.D., Sosa-Hernandez E. Effect of Li and Cu addition on corrosion of Fe–40 at % Al intermetallics in molten LiCl–KCl eutectic salt // Corrosion Science. 2012. 59. Р. 119–126.Barraza-Fierro J.I., Espinosa-Medina M.A., Hernandez-Hernandez M., Liu H.D., Sosa-Hernandez E. Effect of Li and Cu addition on corrosion of Fe–40 at % Al intermetallics in molten LiCl–KCl eutectic salt // Corrosion Science. 2012. 59. P. 119–126.