[논문 리뷰] Investigation of Corroded T91 Steel in Static Lead-Bismuth Eutectic Under an Oxidising Environment

Minyi Zhang, Weiyue Zhou외 4명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 23.

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한 줄 요약

논문은 T91 페라이트/마르텐사이트 강이 고온 산화 조건 하에서 정적 lead-bismuth eutectic 내에서 어떻게 부식하는지 연구하며, 표면 보호층의 역할, 결정립 경계 산화, 및 크롬과 산소의 확산이 이 과정에 어떻게 작용하는지에 초점을 둔다.

ABSTRACT

Understanding corrosion in liquid metal-cooled nuclear systems is tantamount to controlling it. While much literature exists detailing corrosion rates and mechanisms of structural materials in liquid metals, much still remains to be discovered in new regimes of temperature, chemistry, and impurity levels. We focus on a less-studied set of conditions, specifically to investigate how liquid lead-bismuth eutectic (LBE) corrodes ferritic/martensitic steels in high-temperature oxidizing conditions. We find that corrosion follows grain boundaries, transitioning from intergranular attack to broader area corrosion as it progresses. Both the Cr and oxygen diffusion play vital roles in this process. Mechanistically speaking, the ingress of LBE induces regions of martensitic decomposition to ferrite via localized Cr depletion, somewhat blunting or slowing the corrosion from occurring. A stable, coherent oxide scale appears to be the deciding factor controlling whether intergranular LBE attack occurs or not. Most surprisingly, a layer of Fe enriched BCC phase forms on the surface of LBE-corroded T91 at these conditions, contradicting previous studies, including our own, which reported oxide-based surface layers.

연구 동기 및 목표

• liquid lead-bismuth eutectic에서 고온 산화 환경하의 T91 강의 부식 진화를 이해한다.
• 보호 산화층이 형성되고 부식 속도에 어떤 영향을 주는지 메커니즘을 파악한다.
• 결정립 경계와 크롬 및 산소의 확산이 부식 진행에 미치는 영향을 조사한다.

제안 방법

• 고온에서 산화 조건하의 정적 lead-bismuth eutectic에 T91 강을 노출시킨다.
• 보호된 영역과 비보호 영역을 구분하기 위해 표면층과 부식 패턴을 특성화한다.
• oxide scale 형성과 파손에서 크롬과 산소의 확산 역할을 분석한다.
• 산화물 기반 표면층 이외의 철이 풍부한 체심입방(BCC) 표면층의 발생 여부를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 산화 조건에서 정적 lead-bismuth eutectic 내 T91 강의 부식은 어떻게 진화하는가?
• RQ2 보호 표면층의 형성 및 효과는 어떤 메커니즘으로 작동하는가?
• RQ3 부식 과정에서 크롬과 산소의 확산은 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 결정립 경계와의 관계에서 부식 공격은 어디에서 시작되고 어떻게 진행되는가?
• RQ5 산화물 이외의 표면층이 형성되는가, 있으면 그것이 부식에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 보호층 형성이 부식 진행을 느리게 한다.
• 비보호 영역은 마르텐사이트 결정립 경계 및 이후에는 프리-오스테나이트 결정립 경계를 따라 산화가 진행된다.
• 크롬과 산소의 확산은 보호 메커니즘 및 부식 진화의 핵심이다.
• LBE에서 부식된 T91에서 철이 풍부한 체심입방(BCC) 표면층이 형성되며, 기존에 보고된 산화물 기반 표면층만 존재한다는 주장과 다르다.