钍基熔盐堆中一回路金属构件在长期服役后，面临着裂变产物碲沿晶扩散、弱化晶界并最终导致金属构件表面开裂的问题，威胁堆内构件尤其是薄壁件的服役寿命和安全性，是熔盐堆合金材料方面的重要难题之一。十余年来，中国科学院上海应用物理研究所李志军研究员和蒋力研究员团队改进碲脆模拟实验方法，完善碲脆损伤机制，探索碲脆防护方案，为应对熔盐堆合金材料碲脆问题提供了研究基础。
1.优化碲脆研究实验方法
前期，大多数相关研究均采用碲蒸气开展碲脆实验，该类方法在机制研究方面起到关键作用，但在模拟熔盐堆真实环境方面仍存在一定局限。为此，研究团队添加氧化性离子替代模拟燃料盐中铀元素的氧化还原性，采用定量碲化物模拟熔盐堆中较低的碲活度，在实验室中高还原度地模拟出燃料盐环境下的碲腐蚀导致的沿晶损伤行为(图1)。此外，研究团队还发展出合金碲脆敏感性的内源性快速试验方法，能够实现高效、低成本和稳定的抗碲脆合金材料筛选实验，相关成果已经申请发明专利(CN202610130301.9)。
图1 MSRE熔盐堆中真实碲脆损伤(左上)与国内外模拟实验结果对比
2.完善碲脆损伤机制
已有的碲腐蚀损伤机制归结为晶界碲偏析或脆性碲化物带来的晶界弱化效应，合金受到碲腐蚀后需要进一步的应力作用才会发生沿晶损伤。然而MSRE经验表明，部分不受力的堆芯样品也会发生沿晶开裂现象，现有机制尚难以充分解释。研究团队发现，合金碲腐蚀后晶界活性元素加速溶出导致纳米空洞，进一步演化为微米级别的沿晶裂纹。理论计算表明，碲元素进入晶界后偏析会扩张晶界降低扩散势垒，使得上述溶出过程更加剧烈，发生无应力下的晶界损伤现象(图2)。研究团队提出的碲偏析诱导晶间腐蚀的模型能够解释部分堆内损伤现象，是对现有损伤机制框架的有效补充。
图2 碲偏析诱导晶间腐蚀机制：(a) 碲偏析导致晶界扩张，(b) 活性元素扩散势垒降低，(c) 活性元素流失导致晶界空洞，(d) 空洞聚集导致沿晶开裂。
3.探索碲脆防护方案
研究团队从合金优化和工艺优化两方面开展探索，提出多种碲脆防护方案。(1)基于已有研究，进一步明确Nb、Mn等元素的抗碲脆路径，初步应用于新型熔盐堆用焊材成分设计，并提出Ni-Nb基覆层防护的应用方案(ZL201811071936.8、ZL201911086203.6);(2)阐明纯镍吸附碲机制，提出纯镍覆层吸附/阻隔防护方案(ZL202010858854.9)，受到国外同行关注;(3)阐明晶界工程、细晶化以及变形组织等工艺方案的抗碲脆效应，为抗碲脆合金构件加工工艺优化提供技术基础(ZL201811071923.0)。
该系列研究先后获得了中国科学院战略性先导科技专项(A类)、国家重点研发计划(2016YFB0700404)和多项国家自然科学基金(51371188、51671122、51671154、52171023、52571024)项目的支持。累计发表论文十余篇，相关期刊包括Corrosion Science、Journal of Materials Science & Technology、Nuclear Science and Techniques等。申请专利6项，授权5项。培养研究生5名， 2人获得上海市优秀毕业生称号。
