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今日報丨聚變堆中液態(tài)錫腐蝕研究

2022-12-23 15:52:04

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))

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