Ett tvärvetenskapligt team av forskare har använt National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science Användaranläggning belägen vid DOE:s Brookhaven National Laboratory, för att undersöka hur högtemperatursmälta salter korroderar metallegeringar. Gruppen hittade en ny metod för att använda smälta salter för att skapa porösa metalliska material med mikroskopiska nätverk av tomrum och metallligament, som kan ha tillämpningar inom en mängd olika områden, såsom energilagring och avkänning. Deras arbete stödjer också utvecklingen av smältsaltreaktorer (MSR), en teknik som kan producera säkrare, billigare, och mer miljömässigt hållbar kärnkraft.

Smälta salter är en av de ledande kandidaterna som medium för värmeöverföring vid hög temperatur i en mängd olika tillämpningar, inklusive nästa generations kärnkraftverk och koncentrerade solkraftverk. De har flera funktioner som gör dem önskvärda, som höga kokpunkter, hög specifik värme, hög värmeledningsförmåga, och låga ångtryck. Dock, en av utmaningarna med smälta salter är deras korrosivitet när de kommer i kontakt med legeringar.

I MSR, det smälta saltet innehåller kärnbränslet i löst form och fungerar också som den primära värmeöverföringsvätskan, arbetar vid 500–900°C (cirka 930–1650°F). Ett av nyckelstegen mot att utveckla MSR är att få en fast förståelse för kemin hos smälta salter och hur de interagerar med strukturmaterialen i en reaktor vid höga temperaturer, med deras frätande effekter som huvudfokus. Detta arbete hjälper till att nå detta mål genom att ge insikter om smältsaltsavlegering, en process genom vilken vissa element i en metallegering företrädesvis lakas bort till det smälta saltet under korrosion. Det är den första studien som utforskar hur man använder den frätande naturen hos smälta salter för att delegera och medvetet skapa porösa strukturer.

Forskningen, som beskrivs i en tidning publicerad den 9 juni, 2021 in Naturkommunikation , resultat från ett samarbete mellan NSLS-II och det Brookhaven-ledda Molten Salts in Extreme Environments Energy Frontier Research Center (MSEE EFRC). EFRCs etablerades av DOE:s Office of Basic Energy Sciences för att föra samman stora team för att ta itu med komplicerade och tvärvetenskapliga grundläggande forskningsutmaningar för att främja energiteknik. MSEE-teamet för detta arbete inkluderade medlemmar från Stony Brook University, Brookhaven's Chemistry Division, och Oak Ridge National Laboratory.

"MSEE:s uppdrag är att tillhandahålla den grundläggande vetenskapen om smält salt som behövs för att möjliggöra MSR-teknik, " sa chefen för MSEE och en av tidningens författare, Brookhaven kemist James Wishart.

Arbetet utfördes vid två NSLS-II strållinjer, strållinjen för fullfältsröntgenbilder (FXI) och strållinjen för materialmätning (BMM).

"FXI-strållinjen har en bildteknik som kallas 3D-röntgen-nanotomografi, som ger en tidsserie av 3D-visualiseringar - i huvudsak en 3D-film - av ett provs interna struktur med en upplösning på tiotals nanometer, " sa den ledande forskaren vid FXI beamline, Wah-Keat Lee, som också är författare. "Andra anläggningar har liknande instrument, men FXI kan ge bilder 20 gånger snabbare. Det är detta som gör denna strållinje så användbar för studier som den här."

Både FXI och BMM tillhandahåller en annan teknik som kallas X-ray absorption near-edge structure (XANES) spektroskopi, som används för att ge information om oxidationstillståndet och den lokala strukturen hos legeringselementen under avlegeringsreaktionen. De experimentella resultaten kompletterades sedan med beräkningsmodellering och simulering.

För att kunna avbilda korrosion av smält salt vid hög temperatur, FXI beamline personal, NSLS-II ingenjörer, och MSEEs forskargrupp utvecklade tillsammans en speciell miniatyrvärmare som möjliggör mätningar i realtid medan material utvecklas vid förhållanden upp till 1000 °C. Detta var en stor prestation i sig som dokumenterades i en ny tidning, publicerad i Journal of Synchrotron Radiation.

Teamet använde FXI-värmesystemet för att tidslösa den morfologiska utvecklingen av en nickel-kromlegering (80% Ni / 20% Cr) tråd i en smält 50-50 blandning av kaliumklorid och magnesiumklorid vid 800 °C. Allt eftersom tiden gick, krom lakades ut ur tråden genom korrosion och det återstående nickelet omstrukturerades till ett poröst nätverk. Detta är första gången som forskare har observerat den förändrade 3D-strukturen hos ett material som genomgår avlegeringsprocessen när det sker.

"Vi såg provet förändras framför våra ögon och kunde ta en video av varje steg, vilket är anmärkningsvärt, " sa Stony Brook Ph.D.-kandidat Xiaoyang Liu, en av de gemensamma första författarna av tidningen.

Teamet observerade att avlegeringsprocessen först börjar vid gränsytan mellan legeringen och saltet och fortplantar sig till legeringens mitt, skapa pornätverket. När krom ytterligare lakas bort i det smälta saltet, porerna och kaviteterna blir större (vilket kallas "förgrovning") som ett resultat av diffusion av Ni-atomer på legeringens yta.

Den tredimensionella morfologin hos materialet som bildas i denna studie klassificeras som "bikontinuerlig, " vilket betyder att båda faserna - legeringen och nätverket av porer som skapas av saltkorrosionen - är kontinuerliga och obrutna. Porösa bikontinuerliga material är av stort intresse för forskare på grund av deras minskade vikt, stora ytor, förmåga till masstransport av vätskor genom porerna, och elektrisk eller termisk ledningsförmåga genom materialmatrisen. Bikontinuerliga metallegeringar, speciellt de med fina porstorlekar, har många potentiella tillämpningar inom flera områden, inklusive energilagring, avkänning, och katalys.

Flera metoder har historiskt använts för att skapa dessa mycket eftertraktade material, inklusive syraetsning av det lättast korroderade elementet, eller selektiv upplösning i flytande metall. Dock, det smälta saltet, som inte har utforskats tidigare, fungerar med olika mekanismer och följer olika regler som kan ge en högre grad av kontroll av både laknings- och omstruktureringsprocessen, potentiellt resultera i överlägsna material. Denna grad av kontroll är möjlig eftersom avbildningskapaciteten vid FXI-strållinjen tillåter forskarna att kvantifiera hastigheterna för avlegerings- och förgrovningsprocesserna när de ändrar parametrar som temperatur och legerings- och saltsammansättning.

"FXI-strållinjen var helt avgörande för detta arbete, " sa Stony Brook doktorand Arthur Ronne, den andra gemensamma förstaförfattaren och medkorrespondentförfattaren. "Dess tidsupplösning, med förmågan att se strukturen förändras på minutskalan med en utmärkt rumslig upplösning i nanoskala, tillsammans med ugnen vi tillsammans byggde, gjorde denna studie möjlig."

Detta jobb, och dess fortsatta utvidgning till effekterna av temperatur och salt- och legeringssammansättning, är mycket viktigt för utformningen av hållbara smältsaltreaktorsystem, som spänner över ett område av temperaturer där korrosionsmekanismer genom dessa processer kan förutsägas variera på olika platser, och beror även på innehållet i bränslesaltet. Teamet kommer att använda FXI-strållinjen och andra avancerade tekniker för att få den nödvändiga mekanistiska informationen för att möjliggöra sådana förutsägelser. Genom att göra så, de kommer att få nyckelinformation för att vägleda den avsiktliga beredningen av bikontinuerliga legeringsmaterial med specifika morfologier och egenskaper för ett brett spektrum av tillämpningar.

"Bakom detta arbete finns en mängd otroliga vetenskapsmän och ingenjörer, " sa motsvarande författare Karen Chen-Wiegart, en biträdande professor vid Stony Brook's College of Engineering and Applied Sciences som har en gemensam anställning vid NSLS-II. "Det var bara genom partnerskapet mellan ett stort forskningscenter som MSEE och en anläggning i världsklass som NSLS-II som vi kunde ta detta steg. Vi är egentligen bara i början av en underbar resa för att ytterligare utforska komplexet och ändå fascinerande interaktioner mellan materialen och smälta salter med hjälp av avancerade synkrotrontekniker."