美国宾夕法尼亚州立大学研究人员近日发现，先进熔盐反应堆中结构金属出现“腐蚀通道”的原因，可能与金属内部原子的排列方式密切相关。相关成果已发表在《腐蚀科学》杂志上。
随着各国在低碳能源领域持续发力，核能重新受到关注。与传统裂变反应堆不同，熔盐反应堆可使用熔盐作为冷却剂和燃料，使燃料和核废料在反应堆压力容器内循环流动，从而提升运行效率和安全性。不过，这类反应堆的运行温度更高，内部温度可达约1500华氏度，即800摄氏度。在这样的环境下，熔盐本身化学性质相对稳定，却可能腐蚀用于制造反应堆容器的金属材料，这给工程安全带来挑战。
研究团队关注的是一种用于反应堆建造的镍铬合金，以及其与FLiNaK熔盐之间的相互作用。研究人员哈姆迪·阿库布表示，反应堆内的高温和辐射环境，让通过实验直接观察镍铬合金腐蚀的起始和扩展过程变得十分困难，因此团队希望借助建模和仿真填补这一空白。
在此前研究基础上，团队进一步考察了机械应力、金属表面取向以及金属微观结构对腐蚀行为的影响。他们发现，即使化学成分相同，不同镍铬合金样品的耐腐蚀表现也可能存在差异。过去，这种差异常被归因于机械应力，但研究团队认为，金属内部原子排列同样值得关注。
在镍铬合金中，铬原子会受到“原子有序化”过程影响而分散排列，这种排列会影响原子的运动或渗流路径。研究人员利用宾夕法尼亚州立大学的ROAR超级计算机，对合金与熔盐之间的腐蚀过程进行了多轮精细模拟。由于计算量巨大，超级计算机处理一纳秒的腐蚀反应就需要约一整天时间。
模拟结果显示，与短程随机结构相比，长程原子有序结构会为腐蚀过程形成类似“高速公路”的通道，使腐蚀更容易沿特定路径发展。阿库布表示，基于这一新认识，团队正在尝试建立更大尺度的模型，用于观察部分合金材料接触熔盐后的实时变化过程。研究人员希望，这些发现未来能为设计更安全的熔盐反应堆容器材料提供参考。
