美國賓州州立大學的科學家發現，為何先進核反應堆會出現「腐蝕高速公路」，以及調整其結構金屬的原子排列如何影響腐蝕的速度和程度。隨著各國尋求在滿足能源需求的同時降低碳排放，核能正面臨重大的回歸。在傳統的裂變反應堆中，鈾燃料棒浸泡在大型水槽內。當裂變反應發生時，會產生大量熱能，這些熱能被水吸收以保持燃料棒的冷卻。與此同時，吸收的熱量會將水轉化為蒸氣，驅動渦輪發電。
在新設計的裂變反應堆中，使用熔融鹽作為冷卻劑和燃料，無需使用水池來包裹燃料棒，這使得燃料和核廢料可以在反應器容器內循環進出，提高了反應堆的效率和安全性。然而，研究人員注意到這些反應堆存在腐蝕問題。
腐蝕高速公路
熔融鹽反應堆的腐蝕問題影響安全性
與傳統的裂變反應堆相比，熔融鹽反應堆的運行温度更高。這些反應堆內部的温度可達 1,500 華氏度 (約 800 攝氏度)。在這些温度下，熔融鹽保持化學穩定，但會開始腐蝕用於建造反應堆容器的金屬，這構成了重大安全風險。科學家們意識到這一點，2024 年的先前研究試圖使用化學模型來瞭解腐蝕的原因。在該研究中，研究人員 Hamdy Arkoub 使用了 FLiNaK 鹽，旨在瞭解其與用於反應堆建設的鎳鉻合金 nichrome 的相互作用。
Arkoub 在新聞稿中解釋：「這些反應堆中的高温和輻射使得實驗性研究腐蝕如何開始和擴散變得困難。我們的工作旨在使用建模和模擬來填補這些空白。」該模型幫助團隊建立了詳細的模擬，研究了在不同機械應力和金屬表面取向變化下，鉻如何在接觸 FLiNaK 鹽時腐蝕。
原子排列的作用
金屬微觀結構對腐蝕的影響
在研究中，研究人員注意到，單個樣本的 nichrome 腐蝕程度遠高於其他具有相同化學成分的合金。這最初被歸因於機械應力，但 Arkoub 和他的團隊希望確定金屬的微觀結構是否也起到作用。在 nichrome 中，鉻原子因原子排列的過程而分散，這一過程決定了原子的運動或滲透。這種現象可在短距離或長距離上表現出來，但研究團隊並不理解其中的機制。利用賓州州立大學的 ROAR 超級計算機，團隊創建了幾個詳細的合金與熔融鹽之間的腐蝕模擬。
模擬的深度體現在超級計算機處理一秒鐘的腐蝕反應所需的全部一天時間。通過這些模擬，研究團隊發現，相較於短距離隨機結構，長距離的原子排列為腐蝕過程創建了一種高速公路。「利用這一新認識，我們正在嘗試建立一個高長度尺度模型，使我們能夠實時觀察某些合金材料在熔融鹽中的行為演變，」Arkoub 補充道，這最終將導致建立更安全的熔融鹽反應堆容器。該研究結果已發表在《腐蝕科學》期刊上。