未来的核动力反应堆可以依靠熔盐，但腐蚀呢？

关于如何避免气候变化的大多数讨论都集中在太阳能和风能发电上，这是向未来无碳电力系统过渡的关键。但麻省理工学院核科学与工程系42届副教授、麻省理工学院等离子体科学与聚变中心（PSFC）副主任迈克尔·肖特（Michael Short）对这种谈话感到不耐烦。“我们可以说，有一天我们应该只有风能和太阳能。但我们不再有’有一天’的奢侈，所以我们不能忽视其他应对气候变化的有用方法，“他说。“对我来说，这是一件’全员参与’的事情。太阳能和风能显然是解决方案的重要组成部分。但我认为核电也可以发挥关键作用。

几十年来，研究人员一直在研究使用熔盐作为燃料或冷却剂的裂变和聚变核反应堆的设计。虽然这些设计承诺了显着的安全性和性能优势，但有一个问题：熔盐及其中的杂质经常腐蚀金属，最终导致它们开裂、变弱和失效。在反应堆内部，关键金属部件不仅会暴露在熔盐中，还会同时暴露在辐射中，这通常会对材料产生不利影响，使它们更脆，更容易失效。辐照会使熔盐冷却核反应堆内的金属部件腐蚀得更快吗？

Short和PSFC的博士后Weiyue 周 ’21已经研究了这个问题八年。他们最近的实验结果表明，某些合金在受到辐照时会腐蚀得更慢——在所有可用的商业合金中识别它们可能很简单。

第一个挑战——建造一个测试设施

当Short和周开始研究辐射对腐蚀的影响时，几乎没有可靠的设施可以同时观察这两种影响。标准方法是按顺序检查这些机制：首先腐蚀，然后辐照，然后检查对材料的影响。这种方法大大简化了研究人员的任务，但需要做出重大权衡。“在反应堆中，一切都将同时发生，”肖特说。“如果你把这两个过程分开，你就不是在模拟反应堆;你正在做一些其他不那么相关的实验。

因此，Short和周接受了设计和构建一个可以同时完成这两个任务的实验装置的挑战。肖特称赞密歇根大学的一个团队通过设计一种可以在水中而不是熔盐中完成这一壮举的设备铺平了道路。即便如此，周指出，他们花了三年时间才想出一种可以与熔盐一起工作的装置。两位研究人员都回忆起一次又一次的失败，但执着的周最终尝试了一种全新的设计，并且奏效了。肖特补充说，他们还花了三年时间精确地复制工业中使用的盐混合物——这是获得有意义的结果的另一个关键因素。最困难的部分是通过去除水分、氧气和某些其他金属等关键杂质来达到并确保纯度正确。

当他们开发和测试他们的装置时，Short和周获得了初步结果，表明质子辐照并不总是加速腐蚀，但有时实际上会减速腐蚀。他们和其他人都假设了这种可能性，但即便如此，他们还是感到惊讶。“我们认为我们一定做错了什么，”肖特回忆道。“也许我们混淆了样品或其他东西。”但他们随后对各种条件进行了类似的观察，增加了他们最初观察不是异常值的信心。

成功设置

他们方法的核心是使用加速质子来模拟核反应堆内中子的撞击。产生中子既不切实际又昂贵，而且中子会使所有东西都具有高放射性，造成健康风险，并且需要很长时间才能使辐照样品冷却到足以进行检查。使用质子将使Short和周能够快速安全地检查辐射改变的腐蚀。

他们实验装置的关键是他们连接到质子加速器的测试室。为了准备实验的测试室，他们将一个被测试的金属合金薄盘放在盐丸上。在测试过程中，整个铝箔盘暴露在熔盐浴中。同时，一束质子从盐丸对面的一侧轰击样品，但质子束被限制在箔样品中间的一个圆圈内。“没有人可以反驳我们的结果，”肖特说。“在一次实验中，整个样品都受到腐蚀，只有样品中心的一个圆圈同时受到质子的照射。我们可以在结果中看到质子束轮廓的曲率，因此我们知道哪个区域是哪个区域。

这种安排的结果与最初的结果没有变化。他们证实了研究人员的初步发现，支持了他们有争议的假设，即在某些情况下，辐射实际上不会加速腐蚀，而是会减慢某些材料的腐蚀速度。幸运的是，它们恰好与熔盐冷却反应堆中的金属所经历的条件相同。

为什么这个结果会引起争议？近距离观察腐蚀过程将解释。当盐腐蚀金属时，盐会在固体中找到原子级的开口，渗入并溶解盐溶性原子，将它们拉出并在材料中留下一个间隙——这是材料现在薄弱的地方。“辐射增加了原子的能量，使它们被弹道击出它们的位置并移动得非常快，”肖特解释说。因此，辐照材料会导致原子更快地进入盐中，从而增加腐蚀速度是有道理的。然而，在他们的一些测试中，研究人员发现情况恰恰相反。

“模型”合金实验

研究人员在他们的新装置中的第一个实验涉及由镍和铬组成的“模型”合金，这是一种简单的组合，可以让他们第一次看到腐蚀过程。此外，他们还在盐中添加了氟化铕，这是一种已知会加速腐蚀的化合物。在我们的日常生活中，我们通常认为腐蚀需要数年或数十年的时间，但在熔盐反应堆的更极端条件下，它可以在短短几个小时内明显发生。研究人员使用氟化铕在不改变腐蚀过程的情况下进一步加速腐蚀。这样可以更快速地确定哪些材料在哪些条件下或多或少地受到质子照射的腐蚀。

使用质子来模拟中子对材料的破坏意味着必须仔细设计实验装置，并仔细选择和控制操作条件。质子是带电荷的氢原子，在某些情况下，氢可以与样品箔中的原子发生化学反应，从而改变腐蚀反应，或者与盐中的离子发生化学反应，使盐更具腐蚀性。因此，质子束必须穿透箔样品，然后尽快停在盐中。在这些条件下，研究人员发现它们可以在箔层内提供相对均匀的辐射剂量，同时最大限度地减少箔和盐中的化学反应。

测试表明，加速到300万电子伏特的质子束与厚度在25至30微米之间的箔样品相结合，可以很好地用于镍铬合金。暴露的温度和持续时间可以根据被测特定材料的腐蚀敏感性进行调整。

在用模型合金进行测试后检查的样品的光学图像显示，仅暴露于熔盐的区域与暴露于质子束的区域之间存在清晰的边界。聚焦该边界的电子显微镜图像显示，仅暴露于熔盐的区域包括熔盐一直穿透箔的暗斑，而暴露在质子束下的区域几乎没有显示这样的暗斑。

为了确认深色斑块是由于腐蚀造成的，研究人员切开了铝箔样品以创建横截面。在他们身上，他们可以看到盐在样品中挖出的隧道。“对于没有受到辐射的区域，我们看到盐隧道将样品的一侧连接到另一侧，”周说。“对于受辐射的地区，我们看到盐隧道或多或少在中途停止，很少到达另一边。因此，我们验证了它们没有完全渗透。

结果“超出了我们最疯狂的预期，”肖特说。“在我们进行的每次测试中，辐射的应用都使腐蚀速度减慢了两到三倍。

更多实验，更多见解

在随后的测试中，研究人员通过省略他们用来加速腐蚀的添加剂（氟化铕）来更接近地复制了市售熔盐，并调整了温度以获得更真实的条件。“在仔细监测的测试中，我们发现，通过将温度提高100摄氏度，我们可以使腐蚀发生的速度比反应堆快1000倍，”肖特说。

使用镍铬合金和不含腐蚀性添加剂的熔盐进行的实验图像产生了进一步的见解。箔样品面向熔盐的一面的电子显微镜图像显示，在仅暴露于熔盐的剖面中，腐蚀明显集中在结构的最薄弱部分 – 金属晶粒之间的边界。在暴露于熔盐和质子束的部分，腐蚀不仅限于晶界，而是更多地分布在表面上。实验结果表明，这些裂纹较浅，不太可能导致关键部件断裂。

肖特解释了这些观察结果。金属由单个晶粒组成，其中原子以有序的方式排列。在晶粒聚集在一起的地方，有一些区域 – 称为晶界 – 原子也不对齐。在仅腐蚀图像中，暗线跟踪晶界。熔盐已经渗入晶界并拉出盐溶性原子。在腐蚀加辐照图像中，损坏更为普遍。受到攻击的不仅是谷物边界，还有谷物内的区域。

因此，当材料被辐照时，熔盐也会从颗粒中去除材料。随着时间的流逝，从谷物本身中产生的材料比从它们之间的空间中产生的材料更多。去除的重点不是晶界;它散布在整个表面上。因此，形成的任何裂纹都更浅，更分散，材料失效的可能性更小。

测试商业合金

到目前为止，所描述的实验涉及模型合金 – 元素的简单组合，这些元素有利于研究科学，但永远不会用于反应堆。在接下来的一系列实验中，研究人员专注于三种市售合金，它们由镍、铬、铁、钼和其他元素以各种组合组成。

商业合金的实验结果显示出一致的模式——证实了研究人员的想法：合金中盐溶性元素的浓度越高，辐射引起的腐蚀损伤就越严重。辐射将增加盐溶性原子（如铬）离开晶界的速度，从而加速腐蚀过程。然而，如果存在更多的不溶性元素，如镍，这些原子进入盐的速度会更慢。研究人员说，随着时间的流逝，它们会积聚在晶界处，并形成一层保护涂层，阻挡晶界——这是一种“减缓腐蚀速度的自愈机制”。

因此，如果合金主要由不溶于熔盐的原子组成，则辐照将导致它们形成保护涂层，从而减缓腐蚀过程。但是，如果合金主要由溶解在熔盐中的原子组成，则辐照会使它们溶解得更快，从而加速腐蚀。正如肖特总结的那样，“就腐蚀而言，辐照会使好合金变得更好，而坏合金会变得更糟。

与现实世界的相关性和实用指南

Short和周发现他们的结果令人鼓舞。在由“好”合金制成的核反应堆中，腐蚀的减慢可能比他们在基于质子的实验中观察到的更明显，因为造成损害的中子不会与盐发生化学反应以使其更具腐蚀性。因此，反应堆设计人员可以在其运行条件下进一步突破极限，从而在不影响安全性的情况下从同一核电站获得更多电力。

然而，研究人员强调，还有很多工作要做。需要更多的项目来探索和了解特定合金在不同辐照条件下的确切腐蚀机理。此外，他们的研究结果需要由其他机构的小组使用自己的设施进行复制。“现在需要做的是让其他实验室建立自己的设施，并开始验证他们是否得到了与我们相同的结果，”肖特说。为此，Short和周已经在网上免费提供了他们的实验设置和所有数据的细节。“我们也一直在积极与联系我们的其他机构的研究人员进行沟通，”周补充道。“当他们计划参观时，我们会在他们来这里时向他们展示示范实验。”

但他们的发现已经为其他研究人员和设备设计者提供了实用指导。例如，量化腐蚀损伤的标准方法是“质量损失”，这是衡量材料损失了多少重量的指标。但Short和周认为质量损失是熔盐腐蚀的一个有缺陷的衡量标准。“如果你是核电站运营商，你通常会关心你的结构部件是否会破裂，”肖特说。“我们的实验表明，当所有其他因素保持不变时，辐射可以改变裂缝的深度。裂缝越深，结构部件断裂的可能性就越大，从而导致反应堆故障。

此外，研究人员还提供了一个简单的规则，用于识别熔盐反应器中结构部件的良好金属合金。制造商提供了具有不同成分、微观结构和添加剂的大量可用合金清单。面对关键结构的选项列表，新核裂变或聚变反应堆的设计者可以简单地检查所提供的每种合金的成分。镍等耐腐蚀元素含量最高的一种将是最佳选择。在核反应堆内部，这种合金应该对辐射的轰击做出反应，而不是通过更快地腐蚀，而是通过形成有助于阻止腐蚀过程的保护层。“这似乎是一个微不足道的结果，但辐射减速腐蚀的确切阈值取决于盐化学，反应堆中中子的密度，它们的能量和其他一些因素，”肖特说。“因此，完整的指导方针有点复杂。但它们以一种简单明了的方式呈现，用户可以理解并利用它来为他们正在设计的熔盐基反应堆做出一个好的选择。

这项研究部分由Eni S.p.A.通过麻省理工学院等离子体科学与聚变中心的创新聚变技术实验室资助。早期的工作部分由Transatomic Power Corporation和美国能源部核能大学项目资助。设备开发和测试得到了Transatomic Power Corporation的支持。

本文出现在 麻省理工学院能源倡议杂志《能源期货》2024年冬季刊。