核能开发利用的同时也伴随产生了大量具有放射性强、毒性大、半衰期长的高放废物，对人类健康及生态环境造成极大威胁。因而，如何安全有效地处置高放废物已成为各国科学家共同致力解决的世界性难题，也是关系到环境保护和核能可持续发展的关键因素。目前，深地质处置是国际上公认安全可靠、切实可行的处置方案。根据我国高放废物地质处置概念，多重屏障系统主要包括天然屏障（天然地质体）和工程屏障（缓冲/回填材料、金属处置容器及废物体），其主要作用是防止核素泄漏，以确保放射性废物与生物圈隔离几千年甚至上万年。金属处置容器作为多重屏障中的关键部件，其耐蚀性能是满足处置库系统坚稳性的首要因素，同时还需具有机械强度高、放射线吸收系数大且辐射脆化敏感性低、加工成型和焊接性能好及价格低廉等优点。
近年来，沈阳材料科学国家研究中心董俊华研究团队致力于高放废物地质处置容器耐蚀材料的设计、选择与腐蚀性能评价工作，先后承担并完成了国防科工局和国家自然科学基金委下达的多项科研任务。针对高放废物地质处置容器候选材料低碳钢、耐蚀低合金钢、铜和钛在模拟深地质处置环境中的腐蚀行为展开了大量研究并取得一系列研究进展。根据不同候选材料的腐蚀特征，提出了相应材料的腐蚀试验方法及电化学测试技术。揭示了低碳钢和低合金钢在模拟深地质处置环境中腐蚀模式的热力学与动力学机制，构建了Fe-H2O-CO2体系的Pourbaix图。出于对实际地质处置环境中很难完全消耗掉溶解氧的考虑，结合实验结果，提出了残余溶解氧对低碳钢和低合金钢在处置环境中腐蚀过程的影响机制。该机制认为，低合金钢容器材料在高放地质处置环境中的腐蚀初期即会形成有阴极去极化作用的α-FeOOH，使溶解氧消耗到可以完全忽略其进行的电化学反应的程度。此时，α-FeOOH的还原成为腐蚀电池的阴极支，继续驱动钢中的Fe发生阳极反应形成Fe(OH)2或Fe2(OH)2CO3等产物。热力学计算表明，即使氧的分压低至10-70atm左右，处置环境中的溶解氧仍然可以将Fe(OH)2或Fe2(OH)2CO3等产物经化学反应氧化为α-FeOOH，从而使阴极反应得以持续地维系。这不同于传统上认为地质处置环境中溶解氧会完全耗尽，而碳钢处置容器的腐蚀过程会完全由析氢反应驱动的设想。通过合金化处理，研发了一种NiCu低合金钢，其耐腐蚀性能明显优于传统低碳钢，基本能满足处置容器的设计寿命要求。同时，提出了Ni、Cu合金元素对提高低合金钢在模拟北山地下水环境中耐蚀性能的作用机制。与核工业北京地质研究院合作，国内首次在大型缓冲材料试验台架（China-Mock-up）中实现了处置容器候选材料长期腐蚀的电化学原位监测，提出了高阻体系下金属腐蚀的电化学阻抗谱等效电路模型。此外，根据我国地质处置预选区甘肃北山的地下水环境特征，系统研究了地下水化学组成（HCO3-、Cl-、SO42-）对处置容器候选材料在模拟地下水溶液/膨润土环境中腐蚀行为和演化规律的影响。这项工作的研究结果为我国高放废物地质处置工程屏障系统的安全评价提供了大量基础理论数据，对促进我国高放废物地质处置工程发展具有重要的科学意义和工程应用价值。相关成果在J. Mater. Sci. Technol.、Applied Clay Science、金属学报（中文版/英文版）及Corrosion Communication等学术期刊共发表论文20余篇。目前，研究团队正积极探索缓冲材料膨润土与腐蚀产物之间的交互作用及其对缓冲性能和腐蚀行为的影响，同时继续开展处置容器用耐蚀低合金钢的设计与开发工作。
上述工作得到了国防科工局、国家基金委-中核集团联合基金、国家自然科学基金和沈阳材料科学国家研究中心项目的支持。
图1 Fe-H2O-CO2体系E-pH图及开路电位依时性变化曲线
图2 NiCu低合金钢腐蚀速率评价及耐蚀机制
图3低碳钢在China-Mock-up中的EIS监测及腐蚀模型