東京工業(yè)大學(xué)和國立聚變科學(xué)研究所的研究人員已經(jīng)闡明了高溫液態(tài)金屬錫(Sn)和低活化鐵素體馬氏體(一種聚變反應(yīng)堆的候選結(jié)構(gòu)材料)之間的化學(xué)兼容性。
(資料圖片僅供參考)
1、背景
這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)液態(tài)金屬錫偏濾器鋪平了道路，偏濾器是聚變反應(yīng)堆的一種先進的排熱部件。在聚變反應(yīng)堆中安裝偏濾器裝置，可以保持等離子體的純度。對于偏濾器，需要能夠承受來自高溫等離子體的極大熱負荷的液態(tài)金屬。
全世界正在積極開發(fā)聚變反應(yīng)堆，作為一種可持續(xù)的零碳能源，聚變堆燃料可以從取之不盡的海水中提取。
ITER項目
此外，聚變堆不排放溫室氣體。除了托卡馬克(ITER)的建設(shè)外，私營部門的聚變發(fā)展也在加快。
在這些聚變反應(yīng)堆中，最重要的部件之一是偏濾器，這是一種將等離子體中的雜質(zhì)氣化并將氣體送至排氣泵的部件。
在聚變反應(yīng)堆的運行過程中，偏濾器的一些結(jié)構(gòu)部件與“進入大氣層時的航天飛機”有相同的環(huán)境——需要承受著非常大的熱負荷。
研究人員正在開發(fā)一種固體偏濾器，其中一塊耐熱材料(如鎢)與等離子體接觸。
這種固體偏濾器系統(tǒng)也用于ITER項目和聚變原型堆。
作為一種承受來自等離子體的巨大熱負荷的創(chuàng)新機制，研究人員還考慮了液體金屬偏濾器的概念，該液體金屬偏濾器通過用具有優(yōu)異冷卻性能的液體金屬覆蓋偏濾器的結(jié)構(gòu)材料來保護偏濾器免受等離子體的影響。
錫是一種在我們?nèi)粘Ｉ钪蟹浅３Ｒ姷慕饘?，例如用作餐具材料和焊料的成分?/p>
錫的熔點相對較低，為232℃，適合在液體狀態(tài)下使用。
錫的另一個特性是它在高溫下的蒸汽壓低于其他液態(tài)金屬。
因此，當(dāng)液態(tài)金屬錫用作冷卻劑以覆蓋和保護聚變反應(yīng)堆液態(tài)金屬偏濾器的結(jié)構(gòu)材料表面時，即使被等離子體加熱并達到高溫，也很難蒸發(fā)。
它還具有蒸發(fā)金屬不太可能與等離子體混合的優(yōu)點。
然而，結(jié)構(gòu)材料的腐蝕是研究人員一直關(guān)注的技術(shù)問題。
2、研究結(jié)果
液態(tài)金屬錫(Sn)與聚變堆偏濾器結(jié)構(gòu)材料的化學(xué)相互作用。
近藤的實驗室專注于與各種結(jié)構(gòu)和功能材料的化學(xué)共存。
該實驗室特別關(guān)注液態(tài)金屬冷卻劑，在聚變反應(yīng)堆等下一代能源領(lǐng)域引起關(guān)注。
研究人員專注于液態(tài)金屬錫，這揭示了在高溫下具有高度反應(yīng)性的不便特性。
他們致力于明確聚變反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的腐蝕機理，并發(fā)現(xiàn)具有耐腐蝕性的材料。
什么是高溫液態(tài)金屬錫，是什么導(dǎo)致其強烈腐蝕性?
浸在液態(tài)錫中的聚變堆結(jié)構(gòu)材料(低活化鐵素體馬氏體鋼)的表面層橫截面圖像。(a)在500℃的液體錫中浸泡25小時。(b)在500℃的液體錫中浸泡250小時。使用掃描電子顯微鏡拍攝。
還原活化鐵素體馬氏體(Fe-9Cr-2W-0.1C)是聚變反應(yīng)堆的主要候選結(jié)構(gòu)材料，基于鐵素體-馬氏體耐熱鋼的成分。
假設(shè)在反應(yīng)堆中子輻照環(huán)境中使用，低活化鐵素體馬氏體使用減少誘發(fā)放射性的添加元素。
當(dāng)?shù)突罨F素體馬氏體鋼與液態(tài)金屬錫接觸時，腐蝕開始前的潛伏期非常短。
如上圖(a→b)，研究人員確定鋼中含有鐵(Fe)，該鐵與高溫錫反應(yīng)腐蝕材料，同時在錫上快速形成金屬間化合物(FeSn2等)。
除含鐵外，低活鐵素體化馬氏體鋼還含有鉻和鎢等不易與錫反應(yīng)的元素。
因此，鋼的腐蝕速率低于純鐵。
然而，在500℃下10天后，鋼形成厚度約為155微米的金屬間化合物并發(fā)生腐蝕。
當(dāng)將這些數(shù)字外推到一年時，厚度可能達到毫米量級，這是一個非常大的腐蝕速率。
在600℃時，研究人員發(fā)現(xiàn)由于腐蝕導(dǎo)致的變薄變得更加嚴重。
此時，研究人員還發(fā)現(xiàn)，由于錫向內(nèi)擴散到鋼的微觀結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致了腐蝕的進展。
領(lǐng)導(dǎo)研究團隊的東京工業(yè)大學(xué)近藤正俊副教授，給出了以下解釋：“雖然液態(tài)金屬錫是一種具有多種性質(zhì)的優(yōu)秀冷卻劑，但它具有腐蝕結(jié)構(gòu)材料的缺點。通過闡明腐蝕機理，我們希望促進液態(tài)金屬錫不僅用于聚變能，也用于太陽能熱發(fā)電廠?！?/p>
什么材料能承受高溫下的高溫液態(tài)金屬錫?
浸入液態(tài)金屬錫中的氧化物燒結(jié)體表面層腐蝕結(jié)構(gòu)的橫截面圖像
(a)將氧化鐵(Fe2O3)燒結(jié)體在500℃的液體錫中浸泡262小時。
(b)將氧化鉻(Cr2O3)燒結(jié)體在500℃的液體錫中浸泡262小時。
使用掃描電子顯微鏡獲得的圖像。
研究人員發(fā)現(xiàn)，鋼/鐵基結(jié)構(gòu)材料在暴露于高溫液態(tài)金屬錫時，會發(fā)生內(nèi)外腐蝕，同時形成金屬間化合物。
這是因為鋼的主要成分鐵與高溫液態(tài)錫發(fā)生反應(yīng)。
因此，研究人員推測，通過在反應(yīng)之前將鐵與氧結(jié)合形成氧化物，可以防止與高溫錫發(fā)生反應(yīng)。
為了追求這一理論，研究人員測試了氧化鐵(Fe2O3)和氧化鉻(Cr2O3)在500℃下與液態(tài)錫的相容性。(如上圖)
當(dāng)浸入氧化鐵燒結(jié)材料時，錫部分滲透到燒制過程中產(chǎn)生的孔隙中。
然而，在材料表面上具有錫的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的厚度約為1微米。
這是一種非常薄的反應(yīng)，僅為低活化鐵素體鋼的約1%。
此外，當(dāng)檢查氧化鉻的燒結(jié)材料時，可以看到表面上與錫的反應(yīng)結(jié)構(gòu)非常薄。
通過這種方式，研究人員發(fā)現(xiàn)，即使是像鐵這樣容易與錫反應(yīng)的金屬元素，也可以通過與氧反應(yīng)形成氧化物而被顯著抑制。
“聚變反應(yīng)堆中，液態(tài)錫偏濾器的操作環(huán)境處于極端惡劣的條件下，液態(tài)錫的腐蝕和聚變中子的輻照相互疊加?！苯俳淌诮忉尩溃I(lǐng)導(dǎo)了日本團隊在美國-日本科技合作項目(FRONTIER項目)任務(wù)3中的研究。
“在這個項目中，我們與美國橡樹嶺國家實驗室的項目團隊成員合作，研究輻射對鋼與液態(tài)錫的腐蝕反應(yīng)動力學(xué)的影響?！彼a充道。
本文討論的發(fā)現(xiàn)闡明了液態(tài)金屬錫腐蝕的原因和機理，液態(tài)金屬錫具有較強的腐蝕性。
這項研究將通過幫助開發(fā)高可靠性的先進聚變反應(yīng)堆受熱設(shè)備，為實現(xiàn)碳中和的社會做出重大貢獻。
(資料來源：東京工業(yè)大學(xué))
