Перспективы применения электрохимических средств коррозионного мониторинга конструкционных материалов в солевых расплавах. Обзор

Коррозия конструкционных металлических материалов в жидких высокотемпературных солевых расплавах является ключевой проблемой для многих современных и перспективных технологий: атомной энергетики, получение методами электролиза металлов и сплавов, в том числе, редкоземельных, полупроводников, наноструктурированных материалов и углеродных нанотрубок, солнечной энергетики, высокотемпературных накопителей тепловой энергии. Расплавы галогенидных солей обладают высокой коррозионной агрессивностью к конструкционным материалам, а процесс коррозии носит преимущественно окислительно-восстановительный характер. Поэтому электрохимические методы коррозионного мониторинга широко применяются для изучения процессов и контроля технологических процессов в солевых расплавах. Определение окислительно-восстановительного потенциала высокотемпературных солевых расплавов является основным методом контроля коррозии конструкционных материалов, примесей в расплавах и продуктов деления атомов. Широко применяются динамические электрохимические методы исследований и контроля коррозии вольтамперометрия, импедансная спектроскопия и другие. Электрохимические приборы и программное обеспечение, разработанные в ИФХЭ РАН, могут применяться для научных исследований и контроля множества технологических процессов, в том числе для мониторинга коррозионного состояния конструкционных материалов в солевых расплавах.

1. L.G. Alexander, Molten–salt fast reactors, Oak Ridge National Laboratory, Chemical Technology Division Annual Progress Report for Period Ending May 31, 1963, ORNL3452.

2. H. Sun, X. Ding, H. Ai, G. Lei, X. Yang and J.-Q. Wang, Interaction mechanisms of a Hastelloy N-316L stainless steel couple in molten LiF-NaF-KF salt, Corros. Sci., 2020, 164, 108317. doi: 10.1016/j.corsci.2019.108317

3. А.А. Тузов, А.Л. Ижутов, А.П. Малков, А.Л. Петелин и С.А. Сазонтов, Реализация проекта по модернизации активной зоны реактора СМ-3, Известия вузов. Ядерная энергетика, 2024, № 2, 30–40. doi: 10.26583/npe.2024.2.03

4. Y. Yan and D. Fray, Molten Salts Electrolysis for Sustainable Metals Extraction and Materials Processing, In book: Electrolysis: Theory, Types and Applications, Nova Science Publishers, 2010, pp. 255−302.

5. A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems, US DOE Nuclear Research Advisory Committee and Generation IV International Forum, 2002, 91 p.

6. Я.А. Котов, В.А. Невиница, О.С. Фейнберг и С.В. Игнатьев, Исследование возможности утилизации минорных актинидов в жидкосолевом реакторе с урановой и плутониевой загрузкой, Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика ядерных реакторов, 2022, № 2, 30−37.

7. J. Zhang, C.W. Forsberg, M.F. Simpson et al., Redox potential control in molten salt systems for corrosion mitigation, Corros. Sci., 2018, 144, 44−53. doi: 10.1016/j.corsci.2018.08.035

8. В.В. Игнатьев, Создание экспериментальных установок и базы данных для выбора и усовершенствования жидкосолевых топливных композиций и теплоносителей в ядерных реакторах, Автореф. дисс. … докт. техн. наук: специальность 05.14.03, Рос. науч. центр "Курчатов. ин-т", Москва, 2007, 45 с.

9. R.C. Briant and A.M. Weinberg, Molten Fluorides as Power Reactor Fuels, Nucl. Sci. Eng., 1957, 2, no. 6, 797–803. doi: 10.13182/NSE57-A35494

10. Е.В. Никитина, Э.А. Карфидов и Ю.П. Зайков, Коррозия перспективных металлических материалов во фторидных расплавах для жидкосолевых реакторов, Расплавы, 2021, № 1, 21–45. doi: 10.31857/S0235010621010072

11. М.Н. Белоногов, Д.Г. Модестов, В.А. Симоненко и Д.В. Хмельницкий, Оценки эффективности трансмутации в жидкосолевом реакторе-сжигателе, Атомная энергия, 2022, 132, № 1, 19−22.

12. W.D. Manly, G.M. Adamson, J.H. Coobs, J.H. DeVan, D.A. Douglas, E.E. Hoffman and P. Patriarca, Aircraft reactor experiment-metallurgical aspects, ORNL-2349, 1957.

13. Россия делает очередные шаги по переходу на замкнутый ядерный топливный цикл, новости rosatominternational.com от 29 ноября 2016 года. https://www.rosatominternational.com/news/2016/11/29-11-1

14. Росэнергоатом продлит срок эксплуатации реактора БН-600 Белоярской АЭС, новости neftegaz.ru от 6 марта 2024 года. https://neftegaz.ru/news/nuclear/822211rosenergoatom-prodlit-srok-ekspluatatsii-reaktora-bn-600-beloyarskoy-aes/

15. А. Калетинкин, Новости атомной энергетики. https://zen.yandex.ru/id/5ffb100597f80a7d5066acc9?lang=ru&clid=300

16. А.С. Абалин, С.С. Абалин, П.Н. Ивлиев и др., Конструкционные материалы жидкосолевых ядерных реакторов: проблемы и исследования, Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика ядерных реакторов, 2023, № 1, 89−99.

17. А.А. Тузов, А.Л. Ижутов, А.П. Малков, А.Л. Петелин и С.А. Сазонтов, Реализация проекта по модернизации активной зоны реактора СМ-3, Известия вузов. Ядерная энергетика, 2024, № 2, 30−40. doi: 10.26583/npe.2024.2.03

18. Е.А. Власенко Создание на площадке ФГУП «ГХК» исследовательского жидкосолевого реактора для отработки технологии трансмутации минорных актинидов, Новая технологическая платформа атомной энергетики. Тез. докл. Всерос. науч.-практ. конф., Томск, 2024, 12.

19. Е.О. Адамов, Р.В. Арутюнян, Л. А. Большов и др., Белая книга ядерной энергетики. Замкнутый ЯТЦ с быстрыми реакторами, Москва, НИКИЭТ, 2020, 495 с.

20. J.T. Venard, Tensile and creep properties of INOR-8 for the molten-salt reactor experiment, ORNL-TM017, 1965, 22 p.

21. R.W. Swindeman, W. Ren, M. Katcher and D.E. Holcomb, Hastelloy® N for Molten Salt Reactors Used for Power Generation, Proc. of the ASME Symp. on Elevated Temperature Application of Materials for Fossil, Nuclear, and Petrochemical Industries, 2014, 288−295. doi: 10.1115/ETAM2014-1036

22. Л.Е. Ивановский, Ю.П. Зайков, В.П. Батухтин и др., Способ получения щелочных и щелочно-земельных металлов и их сплавов, Авт. свид. SU1840844A1, 20.08.2012.

23. А.В. Проценко и Б.С. Медведев, Электроосаждение сплава натрий-кальций из расплава нитратов натрия и кальция, Известия высш. уч. заведений. Сер. Химия и хим. технология, 2006, 49, № 9, 116−117.

24. Ю.П. Кудрявский, А.В. Голев и О.А. Кутырева, Комплекс технологического оборудования для электролитического производства магния и магниетермического получения титановой губки, Пат. на полезную модель RU73872U1, 10.06.2008.

25. Н.М. Зуев, А.А. Щелконогов и Г.В. Мельникова, Способ получения магния в поточной линии, Пат. RU2095480C1, 11.10.1997.

26. E.T. Armaghan, R. Madison and E. Gabriel, Magnesium production by molten salt electrolysis with liquid tin cathode and multiple effect distillation, Front. Chem., 2023, 11, 1192202. doi: 10.3389/fchem.2023.1192202

27. В.М. Скачков, Л.А. Пасечник, С.А. Бибанаева и др., Синтез и свойства сплавов алюминия с переходными металлами V группы, Расплавы, 2022, № 1, 82–89. doi: 10.31857/S023501062201008X

28. Х.Б. Кушхов, Д.Л. Шогенова и Р.А. Шампарова, Электрохимический синтез интерметаллидов иттрия и алюминия, Вестник Академии наук Чеченской Республики, 2012, № 2, 60−64.

29. А.Ю. Николаев, А.В. Суздальцев и Ю.П. Зайков, Электровыделение алюминия и скандия из фторидных и оксидно-фторидных расплавов, Бутлеровские сообщения, 2018, 56, № 10, 75–83.

30. А.В. Исаков, Электролитическое получение кремния из галогенидных и оксидногалогенидных расплавов, Автореф. дисс. … канд. хим. наук: 05.17.03, Ин-т высокотемператур. электрохимии УрО РАН, Екатеринбург, 2013. 23 с.

31. Т.А. Гевел, С.И. Жук, Ю.А. Устинова и др., Электровыделение кремния из расплава KCl–K2SiF6, Расплавы, 2021, № 2, 187–198. doi: 10.31857/S0235010621020031

32. В.В. Малышев, Электрохимический синтез защитных покрытий тугоплавкими соединениями металлов IV-VIA групп периодической системы элементов из ионных расплавов, Изв. высш. уч. зав. Цветная металлургия, 2007, № 3, 20–28.

33. С.А. Кузнецов, Электролитические покрытия на основе гафния и их применение, Неорганическая химия – фундаментальная основа в материаловедении керамических, стеклообразных и композиционных материалов. Материалы научн. конф., 2016, 111−113.

34. С.В. Кузнецова, Электроосаждение гафния из хлоридно-фторидных расплавов, Автореф. дисс. … канд. техн. наук, 05.16.03, Гос. техн. ун-т, Санкт-Петербург, 1991, 17 с.

35. О.А. Аржаткина и Н.Г. Серов, Способ разделения тетрахлоридов циркония и гафния экстрактивной ректификацией, Пат. РФ № 2538890, 06.09.2013.

36. О.С. Казакова, О.В. Макарова и С.А. Кузнецов, Электрорафинирирование ванадия и синтез сплавов ванадий-титан в солевых расплавах, Перспективные материалы, 2013, № 10, 20–28.

37. О.Я. Обгольц, В.П. Волынкин, Л.М. Фролова и В.Н. Ангилевко, Устройство для получения порошка тантала, Пат. RU2647966C2, 21.03.2018.

38. Е.А. Маренкова и С.А. Кузнецов, Электроосаждение покрытий ниобия и тантала импульсным электролизом в солевых расплавах, Современные металлические материалы и технологии. Труды межд. научно-техн. конф., 2013, 95−100.

39. W. Ding, A. Bonk and T. Bauer, Corrosion behavior of metallic alloys in molten chloride salts for thermal energy storage in concentrated solar power plants: A review, Front. Chem. Sci. Eng., 2018, 12, 564–576. doi: 10.1007/s11705-018-1720-0

40. В.Ю. Селявский, А.С. Жидков, Д.А. Ушаков и др., Способ переработки нитридного ОЯТ в солевых расплавах с удалением остаточного количества хлорирующего агента, Пат. RU 2758450, G21C19/42, 22.09.2020.

41. О.В. Елькин и А.В. Ковалевский, Коррозия гадолиния и иттербия в расплаве LiCl– KCl, Электрохимия, 2011, 47, № 7, 923–926.

42. Х. Накамура, К. Хирота, М. Симао и Т. Минова, Редкоземельный постоянный магнит, Пат. RU 2377681 C2, 27.12.2009.

43. Д.В. Королев, В.П. Пискорский, Р.А. Валеев и др., Инженерия редкоземельных микромагнитов RE-TM-B (обзор), Авиационные материалы и технологии, 2021, № 1, 44−60. doi: 10.18577/2713-0193-2021-0-1-44-60

44. А.В. Руднев, Электрохимическое формирование сплавов на основе лантаноидов в ионных жидкостях: механизм индуцированного соосаждения, НИР: грант № 2223-00819, Российский научный фонд, 2022.

45. Г.А. Букатова, С.А. Кузнецов и М. Гон-Эскар, Электрохимический синтез боридов редкоземельных металлов (Eu, Nd) в расплавах солей, Электрохимия, 2007, 43, № 8, 978−984.

46. Х.Б. Кушхов и М.Р. Тленкопачев, Электрохимический синтез интерметаллических и тугоплавких соединений на основе редкоземельных металлов в ионных расплавах: достижения и перспективы, Журнал общей химии, 2021, 91, № 2, 301−325.

47. А.В. Щетинский, Электрохимическое поведение редкоземельных металлов в хлоридных расплавах, Дисс. … канд. хим. наук: 05.17.02, Екатеринбург, 2003, 105 c.

48. Е.В. Никитина, А.В. Кузнецова и К.Е. Селиверстов, Защитные металлические покрытия из молибдена на стали 12Х18Н10Т для фторидных расплавов. Получение, аттестация, эффективность, Расплавы, 2023, № 6, 602−613. doi: 10.31857/S0235010623050080

49. Ю.М. Королев и А.Н. Тимофеев, Короткий фторидный цикл в технологии вольфрама, Известия вузов. Цветная металлургия, 2020, № 5, 33–42.

50. О.Н. Виноградов-Жабров, А.Н. Барабошкин, В.А. Голубев и др., Способ получения хромовых покрытий, Авт. свид. SU 1376616 A1, 10.07.1999.

51. V.V. Kuznetsov, M.A. Volkov, K.E. German, E.A. Filatova, O.A. Belyakova and

52. A.L. Trigub, Electroreduction of pertechnetate ions in concentrated acetate solutions, J. Electroanal. Chem., 2020, 869, 114090. doi: 10.1016/j.jelechem.2020.114090

53. V.V. Lebedev, D.I. Yarykin, I.V. Chaplygin, O.P. Gorelkov, R.Kh. Zalavutdinov and A.K. Buryak, Natural rhenium sulfide clusters formed under conditions of laser desorption-ionization, Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2024, 38, no. 23, e9919. doi: 10.1002/rcm.9919

54. А.А. Чернышев, Ю.П. Зайков, А.П. Аписаров и А.В. Исаков, Способ электрохимического получения компактных слоев металлического рения, Пат. РФ № 2 677 452 C1, 16.01.2019.

55. Х.Б. Кушхов, М.Н. Адамокова и М.Х. Маржохова, Исследование электровосстановления ионов платины и золота в хлоридных расплавах, Фундаментальные исследования, 2013, № 6-5, 1131−1136.

56. Н.А. Салтыкова, О.В. Портнягин, Н.О. Есина, А.Н. Барабошкин и др., Способ получения сплавов иридий-платина, Авт. cвид. SU 1840840 A1, 20.08.2012.

57. В.С. Чекушин, М.В. Чекушин, Н.В. Олейникова и Н.В. Марченко, Способ извлечения золота из золоторудных концентратов, Пат. РФ № 2 742 554(13) C1. (51) МПК C22B 11/02, C25C 1/20 (2006.01).

58. Я.И. Сычев, Электрохимический синтез углеродных нанотрубок в ионных расплавах, Автореф. дисс. … канд. хим. наук: 02.00.05, Кубан. гос. ун-т, Краснодар, 2006, 22 с.

59. N. Karousis, N. Tagmatarchis and D. Tasis, Current Progress on the Chemical Modification of Carbon Nanotubes, Chem. Rev., 2010, 110, no. 9, 5366–5397. doi: 10.1021/cr100018g

60. А.С. Бакай, А.В. Чечкин и В.В. Жук, Механические, физические, коррозионные и радиационные свойства сплавов типа Хастеллой Н в расплавах фторидных солей: Обзор, Харьков, ННЦ ХФТИ, 2005, 48 с.

61. E.S. Bettis, W.B. Cottrell, E.R. Mann, J.L. Meem and G.D. Whitman, The Aircraft Reactor Experiment-Operation, Nucl. Sci. Eng., 1957, 2, 841−853. doi: 10.13182/nse57a3549761

62. В.В. Игнатьев, А.И. Суренков, И.П. Гнидой и др., Исследование коррозионной стойкости сплавов на основе никеля во фторидных расплавах, Атомная энергия, 101, № 4, 2006, 278−286.

63. А.И. Суренков, В.В. Игнатьев, С.С. Абалин и др., Коррозионная и механическая стойкость никелевых сплавов в жидкосолевых ядерных реакторах, Атомная энергия, 124, № 1, 2018, 34−39.

64. J.H. De Van, Effect of alloying additions of corrosion behavior of nickel-molybdenum alloys in fused fluoride mixtures, ORNL TM-2021, 1969.

65. В.П. Красин, Е.В. Крылова и А.Ю. Музычка, Жидкометаллические теплоносители с точки зрения их совместимости с конструкционными материалами, Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2016, № 3, 77−82.

66. Д.С. Попкова, Особенности выделения интерметаллидных фаз в сплавах аустенитного класса, стойких в расплавах солей, Автореф. дисс. … канд. техн. наук: 2.6.1 Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург, 2024, 24 с.

67. H. Yin, J. Qiu, H. Liu et al., Effect of CrF3 on the corrosion behaviour of Hastelloy-N and 316L stainless steel alloys in FLiNaK molten salt, Corros. Sci., 2018, 131, 355−364. doi: 10.1016/j.corsci.2017.12.008

68. J. Zhang, C.W. Forsberg, M.F. Simpson et al., Redox potential control in molten salt systems for corrosion mitigation, Corros. Sci., 2018, 144, 44−53. doi: 10.1016/j.corsci.2018.08.035

69. Н.С. Пителин, М.С. Шевердяев и Д.А. Коробейников, Получение композиций LiFBеF2 для исследовательского жидкосолевого реактора из различных исходных материалов, Вопросы атомной науки и техники. Серия: Материаловедение и новые материалы, 2023, № 2, 18−28.

70. R.C. Briant and A.M. Weinberg, Molten Fluorides as Power Reactor Fuels, Nucl. Sci. Eng., 1957, 2, no. 6, 797–803. doi: 10.13182/nse57-a35494

71. L. Olson, K. Sridharan, M. Anderson and T. Allen, Nickel-plating for active metal dissolution resistance in molten fluoride salts, J. Nucl. Mater., 2011, 411, nos. 1−3, 51−59. doi: 10.1016/j.jnucmat.2011.01.032

72. J.R. Keiser, J.H. De Van and D.L. Manning, The Corrosion Resistance of Type 316 Stainless Steel to Li2BeF4, ORNL/TM-5782, Contract No. W-7405-eng-26, Metals and ceramics division, 1977, 1−16.

73. L. Wang, B. Li, M. Shen et al., Corrosion resistance of steel materials in LiCl-KCl melts, Int. J. Miner. Metall. Mater., 2012, 19, 930–933. doi: 10.1007/s12613-012-0649-4

74. В.В. Карпова, А.В. Абрамова, К.В. Дедова и др., Коррозия различных типов нержавеющих сталей в хлоралюминатных расплавах, Расплавы, 2019, № 1, 81−88.

75. А.В. Абрамов, И.Б. Половов, О.И. Ребрин и Д.Г. Лисиенко, Коррозия аустенитных сталей и их компонентов в ванадийсодержащих хлоридных расплавах, Расплавы, 2014, № 2, 44−55.

76. С.С. Хвостов, О.А. Голосов, Е.В. Никитина и др. Возможности нейтронноактивационного анализа для исследования коррозионного поведения металлических материалов в расплавах солей, Расплавы, 2023, № 6, 644−651. doi: 10.31857/S0235010623060038

77. А.З. Багерман, Оценка уменьшения времени до разрушения жаропрочных сплавов при работе в условиях горячей солевой коррозии, Тяжелое машиностроение, 2010, № 7, 32−33.

78. С.В. Заварзин, М.С. Оглодков, Д.В. Чесноков и И.А. Козлов, Высокотемпературная солевая коррозия и защита материалов газотурбинных двигателей (обзор), Труды ВИАМ, 2022, № 3, 121−134. doi: 10.18577/2307-60462022-0-3-121-134

79. R.N. Adams, Electrochemistry at Solid Electrodes, Marcel Dekker, New York, 1969, 402 рр.

80. F.C. Anson, Electroanalytical Chemistry, ACS Audio Course, American Chemical Society, Washington D.C., 1976.

81. A.J. Bard, Electroanalytical Chemistry, 1−14, Marcel Dekker, New York.95. A.J. Bard and L.R. Faulkner, Electrochemical Methods, John Wiley & Sons, New York, 1980.

82. P. Delahay and C.N. Reilley, New Instrumental Methods in Electrochemistry, Interscience Publishers, New York, 1954, 437 pp.

83. P.T. Kissinger and W.R. Heineman, Laboratory Techniques in Electroanalytical Chemistry, Marcel Dekker, New York, 1984, 751 pp.

84. D.T. Sawyer and J.L. Roberts Jr., Experimental Electrochemistry for Chemists, John Wiley & Sons, New York, 1974, 435 pp.

85. А.В. Питык и М.Н. Арнольдов, Окислительно-восстановительные процессы как основа потенциометрических методов контроля состояния теплоносителей ЯЭУ ВАНТ, Серия: Ядерно-реакторные константы, 2014, № 2, 5−17.

86. M. Gibilaro, L. Massot and P. Chamelot, Away to limit the corrosion in the Molten Salt Reactor concept: the salt redox potential control, Electrochim. Acta, 2015, 160, 209−213. doi: 10.1016/j.electacta.2015.01.14287

87. А.Ф. Алабышев, М. Ф. Лантратов, А. Г. Морачевский, Электроды сравнения для распленных солей, под общей ред. А.Ф. Алабышева, изд. Металлургия, 1965, Москва, 132 с.

88. Ю.В. Стулов, Константы скорости переноса заряда редокс пары Cr(III)Cr(II) и синтез карбидов хрома в галогенидных расплавах, Дисс. … канд. хим. наук: 02.00.05, Ин-т высокотемператур. электрохимии УрО РАН, Екатеринбург, 2012, 129 с.

89. G. Durán-Klie, D. Rodrigues and S. Delpech. Dynamic Reference Electrode development for redox potential measurements in fluoride molten salt at high temperature, Electrochim. Acta, 2016, 195, 19−26. doi: 10.1016/j.electacta.2016.02.042

90. Ю.П. Зайков, Е.В. Никитина, Э.А. Карфидов и др., Динамический электрод сравнения для измерения ОВП в расплаве cоли LiF-NaF-KF, Пат. на полезную модель: RU216389U, 01.02.2023.

91. V.K. Afonichkin, A.L. Bovet, V.V. Ignatiev, A.V. Panov, V.G. Subbotin, A.I. Surenkov, A.D. Toropov and A.L. Zherebtsov, Dynamic reference electrode for investigation of fluoride melts containing beryllium difluoride, J. Fluor. Chem., 2009, 130, 83−88. doi: 10.1016/J.JFLUCHEM.2008.07.017

92. Н.Г. Ануфриев, Новые возможности применения метода линейного поляризационного сопротивления в коррозионных исследованиях и на практике, Коррозия: материалы, защита, 2012, № 1, 36–43.

93. Н.Г. Ануфриев и В.Э. Касаткин, Новое программное обеспечение для коррозионных исследований на базе потенциостатов серии IPC, Практика противокоррозионной защиты, 2020, 25, № 3, 52–60. doi: 10.31615/j.corros.prot.2020.97.3-6

94. К.И. Шутько, А.В. Алёшин, П.И. Факеев и А.Д. Иванов, Разработка портативного измерительного комплекса для проведения экспрессной оценки склонности к МКК в производственных условиях, сб. докл. IV Межд. научно-техн. конф. «НИКИЭТ», 2016, 1, 431–439.

95. А.Е. Кузмак, Кулонометрическая регистрация продуктов коррозии на стеклоуглеродном электроде, Конденсированные среды и межфазные границы, 2006, № 8, 305–311.

96. В.Э. Касаткин, Электрохимические методы и компьютерные программы для оценки коррозионного состояния металла, Коррозия: защита материалов и методы исследований, 2024, 2, № 4, 118–140. doi: 10.61852/2949-3412-2024-2-4-118-14

97. V.E. Kasatkin, I.V. Kasatkina, L.P. Kornienko, I.G. Korosteleva, V.N. Dorofeeva and N.N. Andreev, Application of the EIS method to study the mechanism of the inhibitory effect of catechol on steel corrosion in an alkaline medium containing chlorides, Int. J. Corros. Scale Inhib., 2024, 13, no. 1, 526–541. doi: 10.17675/2305-6894-2024-13-1-26