Studies of dissolution mechanisms accelerated by oxygen in liquid sodium of iron-based alloys for corrosion modeling

Le développement des réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium exige une meilleure compréhension des effets de la corrosion à long terme afin de garantir la durée de vie de 60 ans du matériau de la structure (acier 316L(N)). La littérature montre que la quasi-totalité de la corrosion se produit durant le régime permanent, contrôlé par la dissolution surfacique du fer, et qui s'établit au bout des premiers mois de fonctionnement. Notre étude se focalise donc sur les mécanismes impliquant l'oxygène dissous dans la dissolution accélérée du fer dans le sodium liquide. L'analyse thermodynamique montre que l'effet de l'oxygène dissous ne peut pas être expliqué par la formation d'oxydes solides. Les analyses de microscopie électronique à balayage permettent de confirmer l'étude thermodynamique et mettent en évidence un mécanisme de dissolution homogène. L'étude expérimentale montre que la vitesse de dissolution et la concentration du fer dans le sodium liquide à l'équilibre suivent une loi de puissance avec un ordre proche de 2 en fonction de la teneur en oxygène dissous. Ces résultats sont compatibles avec un mécanisme de complexation chimique. La stœchiométrie de ce complexe soluble est NaFeO2. En se basant sur cette interprétation et nos mesures expérimentales, une loi d'équilibre de ce complexe dans le sodium liquide a été développée en fonction de la température et de la teneur en oxygène dissous, à l'aide de la loi d'action de masse. Notre modèle de corrosion, appliqué à une boucle de transfert de chaleur simplifiée, montre qu'il est nécessaire de maintenir en continu la teneur en oxygène dissous inférieure à 10 ppm et de prévenir les entrées d'air, pour garantir la durée de vie des circuits de transfert de chaleur.Abstract: The development of sodium-cooled fast reactors requires a better understanding of the effects of long-term corrosion in order to guarantee the 60-year life of the structural material (316L(N) steel). The literature shows that almost all corrosion occurs during the steady state, controlled by surface dissolution of iron, which is established after the first months of operation. Our study therefore focuses on the mechanisms involving dissolved oxygen in the accelerated dissolution of iron in liquid sodium. Thermodynamic analysis shows that the effect of dissolved oxygen cannot be explained by the formation of solid oxides. Scanning electron microscopy analysis confirms the thermodynamic study and highlights a homogeneous dissolution mechanism. The experimental study shows that the dissolution rate and the iron concentration in liquid sodium at equilibrium follow a power law with an order close to 2 as a function of the dissolved oxygen content. These results are consistent with a chemical complexation mechanism. The stoichiometry of this soluble complex is NaFeO2. Based on this interpretation and on our experimental measurements, an equilibrium law for this complex in liquid sodium was developed as a function of temperature and dissolved oxygen content, using the mass action law. Our corrosion model, applied to a simplified heat transfer loop, shows that it is necessary to continuously maintain the dissolved oxygen content below 10 ppm and to prevent air ingress, in order to guarantee the life of the heat transfer circuits