東京工業大學和國立聚變科學研究所的研究人員已經闡明了高溫液態金屬錫(Sn)和低活化鐵素體馬氏體(一種聚變反應堆的候選結構材料)之間的化學兼容性。

1、背景

這一發現為開發液態金屬錫偏濾器鋪平了道路，偏濾器是聚變反應堆的一種先進的排熱部件。在聚變反應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金屬。

全世界正在積極開發聚變反應堆，作為一種可持續的零碳能源，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)的建設外，私營部門的聚變發展也在加快。

在這些聚變反應堆中，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氣化并將氣體送至排氣泵的部件。

在聚變反應堆的運行過程中，偏濾器的一些結構部件與“進入大氣層時的航天飛機”有相同的環境——需要承受著非常大的熱負荷。

研究人員正在開發一種固體偏濾器，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異冷卻性能的液體金屬覆蓋偏濾器的結構材料來保護偏濾器免受等離子體的影響。

錫是一種在我們日常生活中非常常見的金屬，例如用作餐具材料和焊料的成分。

錫的熔點相對較低，為232℃，適合在液體狀態下使用。

錫的另一個特性是它在高溫下的蒸汽壓低于其他液態金屬。

因此，當液態金屬錫用作冷卻劑以覆蓋和保護聚變反應堆液態金屬偏濾器的結構材料表面時，即使被等離子體加熱并達到高溫，也很難蒸發。

它還具有蒸發金屬不太可能與等離子體混合的優點。

然而，結構材料的腐蝕是研究人員一直關注的技術問題。

2、研究結果

液態金屬錫(Sn)與聚變堆偏濾器結構材料的化學相互作用。

近藤的實驗室專注于與各種結構和功能材料的化學共存。

該實驗室特別關注液態金屬冷卻劑，在聚變反應堆等下一代能源領域引起關注。

研究人員專注于液態金屬錫，這揭示了在高溫下具有高度反應性的不便特性。

他們致力于明確聚變反應堆結構材料的腐蝕機理，并發現具有耐腐蝕性的材料。

什么是高溫液態金屬錫，是什么導致其強烈腐蝕性?

浸在液態錫中的聚變堆結構材料(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)是聚變反應堆的主要候選結構材料，基于鐵素體-馬氏體耐熱鋼的成分。

假設在反應堆中子輻照環境中使用，低活化鐵素體馬氏體使用減少誘發放射性的添加元素。

當低活化鐵素體馬氏體鋼與液態金屬錫接觸時，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生腐蝕。

當將這些數字外推到一年時，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，研究人員發現由于腐蝕導致的變薄變得更加嚴重。

此時，研究人員還發現，由于錫向內擴散到鋼的微觀結構中，導致了腐蝕的進展。

領導研究團隊的東京工業大學近藤正俊副教授，給出了以下解釋：“雖然液態金屬錫是一種具有多種性質的優秀冷卻劑，但它具有腐蝕結構材料的缺點。通過闡明腐蝕機理，我們希望促進液態金屬錫不僅用于聚變能，也用于太陽能熱發電廠。”

什么材料能承受高溫下的高溫液態金屬錫?

浸入液態金屬錫中的氧化物燒結體表面層腐蝕結構的橫截面圖像

(a)將氧化鐵(Fe2O3)燒結體在500℃的液體錫中浸泡262小時。

(b)將氧化鉻(Cr2O3)燒結體在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。

研究人員發現，鋼/鐵基結構材料在暴露于高溫液態金屬錫時，會發生內外腐蝕，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錫發生反應。

因此，研究人員推測，通過在反應之前將鐵與氧結合形成氧化物，可以防止與高溫錫發生反應。

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℃下與液態錫的相容性。(如上圖)

當浸入氧化鐵燒結材料時，錫部分滲透到燒制過程中產生的孔隙中。

然而，在材料表面上具有錫的反應結構的厚度約為1微米。

這是一種非常薄的反應，僅為低活化鐵素體鋼的約1%。

此外，當檢查氧化鉻的燒結材料時，可以看到表面上與錫的反應結構非常薄。

通過這種方式，研究人員發現，即使是像鐵這樣容易與錫反應的金屬元素，也可以通過與氧反應形成氧化物而被顯著抑制。

“聚變反應堆中，液態錫偏濾器的操作環境處于極端惡劣的條件下，液態錫的腐蝕和聚變中子的輻照相互疊加。”近藤教授解釋道，他領導了日本團隊在美國-日本科技合作項目(FRONTIER項目)任務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錫的腐蝕反應動力學的影響。”他補充道。

本文討論的發現闡明了液態金屬錫腐蝕的原因和機理，液態金屬錫具有較強的腐蝕性。

這項研究將通過幫助開發高可靠性的先進聚變反應堆受熱設備，為實現碳中和的社會做出重大貢獻。

(資料來源：東京工業大學)