本文的主要作者为J. Jayaraj, P. Krishnaveni, D. Nanda Gopala Krishna, C. Mallika, U. Kamachi Mudali，研究团队隶属于印度的Indira Gandhi Centre for Atomic Research (IGCAR)。此文发表在 Journal of Nuclear Materials 第473期（2016年，157-166页），文章的在线发布时间为2016年2月26日。
本研究属于核材料腐蚀科学领域，研究的主要背景是针对快中子增殖反应堆（FBR）和混合氧化物燃料（MOX）在后处理阶段溶解工艺的材料选择问题。混合氧化物（MOX）燃料中的主要成分为二氧化钚（PuO2）和二氧化铀（UO2），其后处理需要在高温（沸腾条件）浓硝酸中加入氟化物（如氟化钠 NaF）作为溶解催化剂。然而，氟化物离子的加入极易加剧研制溶解器的材料腐蚀，而传统的不锈钢材质在此环境中会发生严重的晶间腐蚀，因此研究重点转为其他高耐腐蚀材料如Zircaloy-4（Zr-4，锆合金）与商用纯钛（Commercial Pure Titanium, CP-Ti）在高腐蚀性条件下的性能表现。
本研究旨在评估Zr-4和CP-Ti在沸腾的氟化硝酸环境（11.5 M HNO3 + 0.05 M NaF）中的腐蚀行为，并探讨通过添加络合剂（如Al(NO3)3或ZrO(NO3)2）来降低材料腐蚀率的可能性。同时，通过实验数据对比，确定Zr-4与CP-Ti两种材料中哪种更适合作为MOX燃料溶解器的候选材料。
本研究中采用的实验材料为Zircaloy-4（Zr-4）和商用纯钛（CP-Ti, Grade 2），其具体成分列于文中表1。两种材料经退火后被切割为尺寸15×10×5 mm的试样，随后采用从粗到细的SiC砂纸进行表面湿磨处理（最细至1200目），并依次用蒸馏水和丙酮清洗，最终获得550 mm²的试样暴露表面。
试验主要通过11.5 M硝酸+0.05 M氟化钠的沸腾氟化硝酸溶液模拟实际燃料溶解环境，并研究以下三种测试溶液对腐蚀行为的影响： - 基础氟化硝酸溶液（11.5 M HNO3 + 0.05 M NaF）。 - 添加铝硝酸盐[Al(NO3)3]作为络合剂的氟化硝酸溶液。 - 添加氧化锆硝酸盐[ZrO(NO3)2]作为络合剂的氟化硝酸溶液。
络合剂的浓度分为0.05 M、0.10 M和0.15 M进行逐级测试。
腐蚀实验采用三相腐蚀测试装置，对试样在液相、蒸气相和冷凝相三个典型环境中的腐蚀行为进行评估。试样悬挂于溶液中，溶液在120℃沸腾状态下连续48小时。每完成一周期后，记录试样表面形貌和质量变化，并更换新溶液，最多重复五次（总测试时间240小时）。腐蚀率计算公式为：
[ \text{腐蚀率(mm/yr)} = \frac{8.76 \times 10^4 \times \Delta W}{\rho \cdot A \cdot t} ]
其中，ΔW为质量损失（g），ρ为密度（g/cm³），A为暴露面积（cm²），t为暴露时间（小时）。
通过扫描电子显微镜（SEM）观察测试试样的表面形貌，并使用X射线光电子能谱（XPS）分析试样表面的化学组分和氧化态。
在三相环境下，Zr-4和CP-Ti均表现出较高的腐蚀速率。其中： - Zr-4在液相中的平均腐蚀速率达78.3 mm/y，是三相中腐蚀最严重的环境；其次是冷凝相（18.8 mm/y）和蒸气相（6.0 mm/y）。 - CP-Ti的冷凝相腐蚀最严重（71.7 mm/y），其次为蒸气相（3.9 mm/y）和液相（2.9 mm/y）。 SEM图像显示，Zr-4在三相中均表现出均匀的溶解形貌，而CP-Ti在冷凝相和蒸气相中出现粗糙和裂痕，液相则表面平滑。
通过添加Al(NO3)3和ZrO(NO3)2两种络合剂，有效降低了Zr-4和CP-Ti在氟化硝酸中的腐蚀速率。 - 在0.15 M的ZrO(NO3)2稳定剂条件下，Zr-4和CP-Ti的腐蚀速率分别降低至0.56 mm/y和接近为零的水平（液相环境）。 - SEM分析显示，加ZrO(NO3)2后，CP-Ti液相表面无可见腐蚀痕迹，而Zr-4在氟化物低含量下仍可观察到腐蚀特征。
XPS分析表明： - Zr-4表面存在氟化锆（ZrF4）迹象，说明微量的氟离子可嵌入被动氧化膜（ZrO2）中，从而引发腐蚀。 - 然而，CP-Ti在ZrO(NO3)2条件下仅检测到氧化钛（TiO2）层，未检出氟化物，表明钛表面形成了稳定的钝化保护膜。
结论 本研究发现，尽管Zr-4和CP-Ti在氟化硝酸中均发生剧烈腐蚀，但通过加入络合剂ZrO(NO3)2，可使CP-Ti在液相、蒸气相和冷凝相中均表现出优异的防腐性能，其腐蚀速率几乎可忽略不计。因此，CP-Ti比Zr-4更适合作为MOX燃料溶解器的候选材料。
科学价值 该研究为核燃料后处理装备的材料选择提供了重要的实验依据，尤其是在高度侵蚀的氟化硝酸环境中对材料性能的明确评估具有不可替代的科学价值。
实际应用意义 通过优化溶解器材料，可提高MOX燃料后处理装置的安全性、耐久性和经济效益，为快中子增殖反应堆的工业化进程贡献了科学支撑。同时，发现的表面钝化和氟化物络合效应，为其他高腐蚀性化学环境下材料设计提供了重要思路。