Forskere ser smeltede salte skære små kroge og tunneler ind i metallegeringer i 3D

Et tværfagligt team af forskere har brugt National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), et US Department of Energy (DOE) Office of Science Brugerfacilitet placeret på DOE's Brookhaven National Laboratory, for at undersøge, hvordan smeltede salte ved høj temperatur korroderer metallegeringer. Gruppen fandt en ny tilgang til anvendelse af smeltede salte til at skabe porøse metalliske materialer med mikroskopiske netværk af hulrum og metalbånd, som kunne have applikationer på en række områder, såsom energilagring og sensing. Deres arbejde understøtter også udviklingen af ​​smeltede saltreaktorer (MSR'er), en teknologi, der kunne producere mere sikker, billigere, og mere miljømæssigt bæredygtig atomkraft.

Smeltede salte er en af ​​de førende kandidater som et medium til varmeoverførsel ved høj temperatur i en række forskellige applikationer, herunder næste generations atom- og koncentrerede solkraftværker. De har flere funktioner, der gør dem ønskelige, såsom høje kogepunkter, høj specifik varme, høje varmeledningsevner, og lavt damptryk. Imidlertid, en af ​​udfordringerne ved smeltede salte er deres ætsningsevne, når de kommer i kontakt med legeringer.

I MSR'er, det smeltede salt indeholder atombrændstoffet i opløst form og fungerer også som den primære varmeoverførselsvæske, kører ved 500–900 ° C (ca. 930–1650 ° F). Et af de vigtigste trin i retning af at udvikle MSR'er er at få en solid forståelse for kemien i smeltede salte og hvordan de interagerer med strukturmaterialerne i en reaktor ved høje temperaturer, med deres ætsende virkninger som hovedfokus. Dette arbejde hjælper med at løse dette mål ved at give indsigt i smeltet salthandel, en proces, ved hvilken visse elementer i en metallegering fortrinsvis udvaskes i det smeltede salt under korrosion. Det er den første undersøgelse, der undersøger, hvordan man anvender korrosiv natur af smeltede salte til at håndtere og bevidst skabe porøse strukturer.

Forskningen, som er beskrevet i et papir, der blev offentliggjort den 9. juni, 2021 i Naturkommunikation , resultater fra et samarbejde mellem NSLS-II og Brookhaven-ledede smeltede salte i ekstreme miljøer Energy Frontier Research Center (MSEE EFRC). EFRC'er blev oprettet af DOE's Office of Basic Energy Sciences for at bringe store teams sammen for at tackle komplicerede og tværfaglige fundamentale forskningsudfordringer til fremme af energiteknologier. MSEE -teamet om dette arbejde omfattede medlemmer fra Stony Brook University, Brookhaven's Chemistry Division, og Oak Ridge National Laboratory.

"MSEEs mission er at levere den grundlæggende videnskab inden for smeltet salt, der er nødvendig for at muliggøre MSR -teknologi, "sagde direktøren for MSEE og en af ​​papirets forfattere, Brookhaven -kemiker James Wishart.

Arbejdet blev udført på to NSLS-II beamlines, Full-Field X-Ray Imaging (FXI) beamline og Beamline for Material Measurement (BMM).

"FXI beamline har en billeddannelsesteknik kaldet 3D røntgen nanotomografi, som giver en tidsserie af 3D -visualiseringer - hovedsagelig en 3D -film - af en prøves interne struktur med en opløsning på snesevis af nanometer, "sagde forskeren ved FXI beamline, Wah-Keat Lee, som også er forfatter. "Andre faciliteter har lignende instrumenter, men FXI kan give billeder 20 gange hurtigere. Det er det, der gør denne bjælkelin så nyttig til undersøgelser som denne. "

Både FXI og BMM giver en anden teknik kaldet røntgenabsorption nærkantsstruktur (XANES) spektroskopi, som bruges til at give information om oxidationstilstanden og den lokale struktur af legeringselementerne under dealloying -reaktionen. De eksperimentelle resultater blev derefter suppleret med beregningsmodellering og simulering.

For at kunne forestille korrosion ved smeltet salt ved høj temperatur, FXI beamline -personalet, NSLS-II ingeniører, og MSEE-forskerteamet udviklede i fællesskab en særlig miniaturevarmer, der muliggør realtidsmålinger, mens materialer udvikler sig under forhold op til 1000 ° C. Dette var en stor bedrift i sig selv, der blev dokumenteret i et nyligt papir, offentliggjort i Journal of Synchrotron Radiation.

Teamet brugte FXI-varmesystemet til at tidsbestemme den morfologiske udvikling af en nikkel-chromlegering (80% Ni / 20% Cr) tråd i en smeltet 50-50 blanding af kaliumchlorid og magnesiumchlorid ved 800 ° C. Som tiden skred frem, krom blev udvasket af tråden ved korrosion, og den resterende nikkel blev omstruktureret til et porøst netværk. Dette er første gang, at forskere har observeret den ændrede 3D -struktur af et materiale, der gennemgår dealloying -processen, mens det sker.

"Vi så prøven ændre sig foran vores øjne og kunne tage en video af hvert eneste trin, hvilket er bemærkelsesværdigt, "sagde Stony Brook Ph.D. kandidat Xiaoyang Liu, en af ​​de første første forfattere af papiret.

Teamet observerede, at dealloying -processen først begynder ved grænsefladen mellem legeringen og saltet og spreder sig til midten af ​​legeringen, oprettelse af porennetværket. Når chrom yderligere udvaskes i det smeltede salt, porerne og hulrummene bliver større (som kaldes "grovning") som følge af diffusion af Ni -atomer på legeringens overflade.

Den tredimensionelle morfologi af materialet dannet i denne undersøgelse er klassificeret som "bikontinuerlig, "hvilket betyder, at begge faser - legeringen og netværket af porer skabt af saltkorrosionen - er kontinuerlige og ubrudte. Porøse tokontinuerlige materialer er af stor interesse for forskere på grund af deres reducerede vægt, store overfladearealer, evne til massetransport af væsker gennem porerne, og elektrisk eller termisk ledningsevne gennem materialematricen. Bicontinuous metallegeringer, især dem med fine porestørrelser, har mange potentielle applikationer på flere områder, herunder energilagring, fornemmelse, og katalyse.

Flere metoder har historisk været anvendt til at skabe disse meget eftertragtede materialer, herunder syreetsning af det lettest korroderede element, eller selektiv opløsning i flydende metal. Imidlertid, tilgangen til smeltet salt, som ikke tidligere er undersøgt, opererer med forskellige mekanismer og følger forskellige regler, der kan give en højere grad af kontrol med både udvasknings- og omstruktureringsprocesserne, muligvis resulterer i overlegne materialer. Denne grad af kontrol er mulig, fordi billeddannelsesegenskaberne ved FXI -strålelinjen giver forskerne mulighed for at kvantificere hastighederne ved dealloying- og grovningsprocesserne, når de ændrer parametre som temperatur og legering og saltsammensætning.

"FXI -strålelinjen var absolut kritisk for dette arbejde, "sagde Stony Brook Ph.D. -studerende Arthur Ronne, den anden fælles førsteforfatter og medsvarende forfatter. "Dens tidsopløsning, med evnen til at se strukturen ændre sig på minutskalaen med en fremragende nanoskala rumlig opløsning, sammen med ovnen, vi i fællesskab byggede, gjort denne undersøgelse mulig. "

Dette arbejde, og dens fortsatte udvidelse til virkningerne af temperatur og salt- og legeringssammensætning, er meget vigtig for design af holdbare smeltede saltreaktorsystemer, som spænder over en række temperaturer, hvor korrosionsmekanismer ved disse processer kan forudsiges at variere forskellige steder, og afhænger også af indholdet af brændselsaltet. Teamet vil bruge FXI beamline og andre avancerede teknikker til at indhente den nødvendige mekanistiske information for at muliggøre sådanne forudsigelser. Derved, de vil få nøgleinformation til at guide den bevidste forberedelse af bikontinuerlige legeringsmaterialer med specifikke morfologier og egenskaber til en lang række anvendelser.

"Bag dette arbejde står et væld af utrolige forskere og ingeniører, "sagde den tilsvarende forfatter Karen Chen-Wiegart, en adjunkt i Stony Brook's College of Engineering and Applied Sciences, der har en fælles ansættelse på NSLS-II. "Det var kun gennem partnerskab mellem et stort forskningscenter som MSEE og en facilitet i verdensklasse som NSLS-II, at vi var i stand til at tage dette skridt. Vi er egentlig kun i begyndelsen af ​​en vidunderlig rejse for yderligere at udforske komplekset og alligevel fascinerende interaktioner mellem materialerne og smeltede salte ved hjælp af avancerede synkrotronteknikker. "