高温熔盐如何腐蚀金属合金？新发现有望生产更安全、更便宜、更环保的核电
一个多学科的科学家团队使用美国能源部 (DOE) 位于美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学用户办公室国家同步加速器光源 II (NSLS-II) 来研究高温熔盐如何腐蚀金属合金。该小组发现了一种使用熔盐来制造具有空隙和金属韧带微观网络的多孔金属材料的新方法，该方法可以应用于各种领域，例如能量存储和传感。他们的工作还支持熔盐反应堆 (MSR) 的开发，该技术可以生产更安全、更便宜、更环保的核电。
熔盐是各种应用中高温传热介质的主要候选材料之一，包括下一代核电站和聚光太阳能发电厂。它们具有几个使它们受欢迎的特性，例如高沸点、高比热、高导热性和低蒸气压。然而，熔盐的挑战之一是它们与合金接触时的腐蚀性。
在的MSR，熔融盐包含溶解形式的核燃料和也用作主传热流体，在500-900℃下操作（约930-1650°F）。开发 MSR 的关键步骤之一是深入了解熔盐的化学性质以及它们如何在高温下与反应堆中的结构材料相互作用，其腐蚀作用是主要关注点。这项工作有助于通过深入了解熔盐脱合金来实现这一目标，这是一种金属合金中的某些元素在腐蚀过程中优先浸出到熔盐中的过程。这是第一项探索利用熔盐的腐蚀性来脱合金并有意制造多孔结构的研究。
这项研究在 2021 年 6 月 9 日发表在Nature Communications上的一篇论文中有所描述，是NSLS-II 与布鲁克海文领导的极端环境能源前沿研究中心 (MSEE EFRC) 的熔融盐合作的结果。EFRC 由能源部基础能源科学办公室成立，旨在将大型团队聚集在一起，以应对复杂和跨学科的基础研究挑战，以促进能源技术的进步。这项工作的 MSEE 团队包括来自石溪大学、布鲁克海文化学部和橡树岭国家实验室的成员。
MSEE 的使命是提供实现 MSR 技术所需的基本熔盐科学，MSEE 主任和该论文的作者之一、布鲁克海文化学家 James Wishart 说。
这项工作是在两条 NSLS-II 光束线、全场 X 射线成像 (FXI) 光束线和材料测量光束线 (BMM) 上完成的。
FXI 的首席科学家说，FXI 光束线采用一种称为 3D X 射线纳米断层扫描的成像技术，该技术可生成样品内部结构的时间序列 3D 可视化（本质上是 3D 电影），分辨率为数十纳米。Wah-Keat Lee，他也是一位作家。其他设施也有类似的仪器，但 FXI 生成图像的速度要快 20 倍。这就是使这条光束线对此类研究如此有用的原因。为了能够对高温熔盐腐蚀进行成像，FXI 光束线工作人员、NSLS-II 工程师和 MSEE 研究团队共同开发了一种特殊的微型加热器，可以在材料在高达 1000 °C 的条件下演变时进行实时测量. 这本身就是一项重大成就，最近发表在《同步辐射杂志》上的一篇论文中对此进行了记录。
该团队使用 FXI 加热器系统对镍铬合金（80% Ni / 20% Cr）线在 800 °C 的 50-50 氯化钾和氯化镁混合物中的形态演变进行时间解析。随着时间的推移，铬因腐蚀而从金属丝中浸出，剩余的镍重组为多孔网络。这是研究人员第一次观察到正在发生脱合金过程的材料的 3D 结构变化。
我们在眼前看到了样品的变化，并且能够拍摄每一步的视频，这非常了不起，Stony Brook 博士说。候选人刘晓阳，论文共同第一作者之一。
该团队观察到，脱合金过程首先从合金和盐之间的界面开始，然后传播到合金的中心，形成孔隙网络。随着铬进一步浸出到熔盐中，由于镍原子在合金表面的扩散，气孔和空腔变大（称为“粗化”）。
本研究中形成的材料的三维形态被归类为“双连续”，这意味着两个相——合金和盐腐蚀产生的孔隙网络——都是连续和不间断的。多孔双连续材料因其重量轻、表面积大、流体通过孔隙传质的能力以及通过材料基质的导电性或导热性而引起研究人员的极大兴趣。双连续金属合金，尤其是具有细孔径的合金，在多个领域具有众多潜在应用，包括能量存储、传感和催化。
历史上曾采用多种方法来制造这些备受追捧的材料，包括对最容易腐蚀的元素进行酸蚀刻，或在液态金属中选择性溶解。然而，以前尚未探索过的熔盐方法通过不同的机制运行并遵循不同的规则，可以对浸出和重组过程提供更高程度的控制，从而可能产生优质的材料。这种程度的控制是可能的，因为 FXI 光束线的成像能力允许研究人员量化脱合金和粗化过程的速率，因为它们改变了温度、合金和盐成分等参数。
FXI 光束线对这项工作绝对至关重要，Stony Brook 博士说。学生 Arthur Ronne，另一位联合第一作者和共同通讯作者，它的时间分辨率，能够以出色的纳米级空间分辨率观察微小尺度的结构变化，再加上我们共同建造的熔炉，使这项研究成为可能。
这项工作及其对温度、盐和合金成分影响的持续扩展，对于耐用熔盐反应堆系统的设计非常重要，该系统跨越一系列温度，这些过程的腐蚀机制可以预测在不同的位置，也取决于燃料盐的含量。该团队将使用 FXI 光束线和其他先进技术来获取必要的机械信息，以实现此类预测。在这样做时，他们将获得关键信息，以指导精心制备具有特定形态和性能的双连续合金材料，以用于广泛的应用。
FXI 和 BMM 都提供了另一种称为 X 射线吸收近边结构 (XANES) 光谱的技术，该技术用于在脱合金反应过程中产生有关合金元素氧化态和局部结构的信息。然后通过计算建模和仿真对实验结果进行补充。