美研究发现镍铬合金原子排列会加速熔盐堆腐蚀

美国宾夕法尼亚州立大学工程研究团队通过超精细模拟发现，用于核反应堆结构部件的镍铬合金，即使化学成分相同，也会因原子排列方式不同而表现出明显不同的腐蚀速度。相关研究已在线发表，并将刊登在8月出版的《腐蚀科学》杂志上。

科学家们对用于核反应堆的金属合金——镍铬合金进行了超精细的模拟，并将其暴露于一种用于先进核反应堆的常用熔盐混合物中。研究团队发现，特定的原子排列方式会形成“腐蚀通道”，使这种材料更容易受到腐蚀。 图片来源：Hamdy Arkoub 提供

传统核电站通常利用水为燃料棒降温，并产生蒸汽推动汽轮机发电。相比之下，熔盐反应堆以熔盐作为冷却介质，部分设计还可将液态燃料与熔盐混合，从而提高运行效率和稳定性。不过，熔盐堆内部局部温度可能超过800摄氏度，在这种高温环境下，熔盐虽然化学性质较稳定，却会对反应堆金属部件造成较强腐蚀。

论文合著者、宾夕法尼亚州立大学核工程助理教授金苗苗表示，材料稳定性对任何反应堆都是挑战，而熔盐反应堆的腐蚀问题尤其复杂。温度、盐的种类以及材料微观结构中的化学组成，都可能影响腐蚀过程，其中不少机制仍有待厘清。

如图所示，LRO(长程有序)在合金中形成连续的铬原子网络。这些网络构成从镍铬合金与熔盐接触的外表面到金属内部结构的便捷路径，与采用SRO(短程有序)或RSS(长程有序)的合金相比，显著加速了腐蚀。 图片来源：Hamdy Arkoub提供

研究团队此前建立了一个精细化学模型，用于描述熔盐堆常用的FLiNaK盐与镍铬合金之间的相互作用。此次，他们借助宾夕法尼亚州立大学ROAR超级计算机，对不同原子排列状态下的镍铬合金腐蚀过程进行模拟。论文共同通讯作者、核工程博士候选人哈姆迪·阿库布介绍，高温和辐射环境让实验中直接观察腐蚀起始和扩展变得很困难，建模与仿真可以帮助填补这一空白。

模拟显示，镍铬合金中的铬原子如果形成长程有序结构，就会在金属内部到接触熔盐的外表面之间形成连续网络。这些网络相当于腐蚀反应的“通道”，使腐蚀更容易向材料内部推进。相比之下，短程有序结构或随机固溶体结构中的腐蚀路径并不连续，材料表面受损程度明显较低。

在仅暴露于熔盐3纳秒后，长程有序镍铬合金表面已出现粗糙和凹坑，而短程有序和随机排列的样品表面仍保持相对光滑。研究人员认为，这说明原子尺度上的渗流路径是加速腐蚀的重要原因。

阿库布表示，团队正基于这一认识尝试构建更高尺度的模型，用于实时观察合金材料在熔盐环境中的演变。研究人员希望，随着原子尺度腐蚀机制被进一步理解，未来可以更准确地预测合金在熔盐反应堆中的服役表现，为反应堆材料选择和设计提供依据。

该研究的其他合作作者包括爱达荷国家实验室计算科学家柯嘉宏和材料科学家考斯图布·巴瓦内。研究得到美国国家科学基金会和美国能源部支持。