Een multidisciplinair team van wetenschappers heeft de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User-faciliteit in het Brookhaven National Laboratory van de DOE, om te onderzoeken hoe gesmolten zouten bij hoge temperaturen metaallegeringen aantasten. De groep vond een nieuwe benadering voor het gebruik van gesmolten zouten om poreuze metalen materialen te creëren met microscopisch kleine netwerken van holtes en metalen ligamenten, die toepassingen kunnen hebben op verschillende gebieden, zoals energieopslag en detectie. Hun werk ondersteunt ook de ontwikkeling van gesmoltenzoutreactoren (MSR's), een technologie die veiliger kan produceren, goedkoper, en meer ecologisch duurzame kernenergie.

Gesmolten zouten zijn een van de belangrijkste kandidaten als medium voor warmteoverdracht op hoge temperatuur in een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder kerncentrales van de volgende generatie en geconcentreerde zonne-energiecentrales. Ze hebben verschillende kenmerken die ze wenselijk maken, zoals hoge kookpunten, hoge soortelijke warmte, hoge thermische geleidbaarheid, en lage dampdrukken. Echter, een van de uitdagingen van gesmolten zouten is hun corrosiviteit wanneer ze in contact komen met legeringen.

In MSR's, het gesmolten zout bevat de nucleaire brandstof in opgeloste vorm en dient ook als primaire warmteoverdrachtsvloeistof, werkend bij 500-900°C (ongeveer 930-1650°F). Een van de belangrijkste stappen in de richting van de ontwikkeling van MSR's is het verkrijgen van een goed begrip van de chemie van gesmolten zouten en hoe deze interageren met de structurele materialen in een reactor bij hoge temperaturen, waarbij hun corrosieve effecten centraal staan. Dit werk helpt om dat doel te bereiken door inzicht te geven in het oplossen van gesmolten zout, een proces waarbij bepaalde elementen in een metaallegering bij voorkeur worden uitgeloogd in het gesmolten zout tijdens corrosie. Het is de eerste studie die het gebruik van de corrosieve aard van gesmolten zouten onderzoekt om poreuze structuren te ontbinden en doelbewust te creëren.

Het onderzoek, die wordt beschreven in een paper gepubliceerd op 9 juni 2021 in Natuurcommunicatie , resultaten van een samenwerking tussen NSLS-II en het door Brookhaven geleide Molten Salts in Extreme Environments Energy Frontier Research Center (MSEE EFRC). EFRC's zijn opgericht door DOE's Office of Basic Energy Sciences om grote teams samen te brengen om gecompliceerde en interdisciplinaire fundamentele onderzoeksuitdagingen voor de vooruitgang van energietechnologieën aan te pakken. Het MSEE-team voor dit werk omvatte leden van de Stony Brook University, Brookhaven's Chemie Divisie, en Oak Ridge National Laboratory.

"De missie van MSEE is om de fundamentele gesmolten zoutwetenschap te bieden die nodig is om MSR-technologie mogelijk te maken, " zei de directeur van MSEE en een van de auteurs van het artikel, Brookhaven-chemicus James Wishart.

Het werk werd gedaan aan twee NSLS-II bundellijnen, de Full-Field X-Ray Imaging (FXI) bundellijn en de Beamline for Materials Measurement (BMM).

"De FXI-bundellijn is voorzien van een beeldvormingstechniek genaamd 3D X-ray nanotomografie, die een tijdreeks van 3D-visualisaties oplevert - in wezen een 3D-film - van de interne structuur van een monster met een resolutie van tientallen nanometers, " zei de hoofdwetenschapper bij de FXI-bundellijn, Wah-Keat Lee, die ook auteur is. "Andere faciliteiten hebben vergelijkbare instrumenten, maar FXI kan 20 keer sneller beelden opleveren. Dit is wat deze bundellijn zo nuttig maakt voor studies zoals deze."

Zowel FXI als BMM bieden een andere techniek genaamd X-ray Absorption Near-edge Structure (XANES) spectroscopie, die wordt gebruikt om informatie op te leveren over de oxidatietoestand en de lokale structuur van de legeringselementen tijdens de deloyeringsreactie. De experimentele resultaten werden vervolgens aangevuld met computationele modellering en simulatie.

Om gesmolten zoutcorrosie op hoge temperatuur in beeld te kunnen brengen, de FXI beamline-staf, NSLS-II-ingenieurs, en het MSEE-onderzoeksteam hebben samen een speciale miniatuurverwarmer ontwikkeld die realtime metingen mogelijk maakt terwijl materialen evolueren bij omstandigheden tot 1000 °C. Dit was op zichzelf al een belangrijke prestatie die werd gedocumenteerd in een recent document, gepubliceerd in Journal of Synchrotron Radiation.

Het team gebruikte het FXI-verwarmingssysteem om de morfologische evolutie van een nikkel-chroomlegering (80% Ni / 20% Cr) draad in een gesmolten 50-50 mengsel van kaliumchloride en magnesiumchloride bij 800 ° C op te lossen. Naarmate de tijd vorderde, chroom werd door corrosie uit de draad geloogd en het resterende nikkel werd geherstructureerd tot een poreus netwerk. Dit is de eerste keer dat onderzoekers de veranderende 3D-structuur hebben waargenomen van een materiaal dat het dealloying-proces ondergaat terwijl het gebeurt.

"We zagen het monster voor onze ogen veranderen en konden een video maken van elke stap, wat opmerkelijk is, " zei Stony Brook PhD-kandidaat Xiaoyang Liu, een van de gezamenlijke eerste auteurs van het artikel.

Het team merkte op dat het dealloying-proces eerst begint op het grensvlak tussen de legering en het zout en zich voortplant naar het midden van de legering, het creëren van het poriënnetwerk. Naarmate chroom verder wordt uitgeloogd in het gesmolten zout, de poriën en holten worden groter (wat "grof worden" genoemd) als gevolg van de diffusie van Ni-atomen op het oppervlak van de legering.

De driedimensionale morfologie van het materiaal dat in deze studie is gevormd, wordt geclassificeerd als "bicontinu, " wat betekent dat beide fasen - de legering en het netwerk van poriën gecreëerd door de zoutcorrosie - continu en ononderbroken zijn. Poreuze bicontinue materialen zijn van groot belang voor onderzoekers vanwege hun verminderde gewicht, grote oppervlakten, vermogen voor massatransport van vloeistoffen door de poriën, en elektrische of thermische geleidbaarheid door de materiaalmatrix. Bicontinue metaallegeringen, vooral die met fijne poriegroottes, hebben tal van potentiële toepassingen op verschillende gebieden, inclusief energieopslag, voelen, en katalyse.

Er zijn in het verleden verschillende methoden gebruikt om deze zeer gewilde materialen te maken, inclusief zuuretsen van het gemakkelijkst gecorrodeerde element, of selectieve oplossing in vloeibaar metaal. Echter, de benadering van gesmolten zout, die nog niet eerder is onderzocht, werkt door verschillende mechanismen en volgt verschillende regels die een hogere mate van controle kunnen bieden over zowel de uitlogings- als herstructureringsprocessen, mogelijk resulterend in superieure materialen. Deze mate van controle is mogelijk omdat de beeldvormingsmogelijkheden bij de FXI-bundellijn de onderzoekers in staat stellen de snelheden van de deloying- en verruwingsprocessen te kwantificeren als ze parameters zoals temperatuur en legerings- en zoutsamenstelling veranderen.

"De FXI-bundellijn was absoluut cruciaal voor dit werk, " zei Stony Brook PhD-student Arthur Ronne, de andere gezamenlijke eerste auteur en co-corresponderende auteur. "De tijdresolutie, met de mogelijkheid om de structuurverandering op de minuutschaal te zien veranderen met een uitstekende ruimtelijke resolutie op nanoschaal, samen met de oven die we samen hebben gebouwd, maakte deze studie mogelijk."

Dit werk, en de voortdurende uitbreiding naar de effecten van temperatuur en zout- en legeringssamenstelling, is erg belangrijk voor het ontwerp van duurzame gesmoltenzoutreactorsystemen, die een reeks temperaturen overspannen waarbij kan worden voorspeld dat corrosiemechanismen door deze processen op verschillende locaties kunnen variëren, en ook afhankelijk van de inhoud van het brandstofzout. Het team zal de FXI-bundellijn en andere geavanceerde technieken gebruiken om de nodige mechanistische informatie te verkrijgen om dergelijke voorspellingen mogelijk te maken. Daarbij, ze zullen belangrijke informatie verkrijgen om de doelbewuste bereiding van bicontinue legeringsmaterialen met specifieke morfologieën en eigenschappen voor een breed scala aan toepassingen te begeleiden.

"Achter dit werk staat een veelvoud van ongelooflijke wetenschappers en ingenieurs, " zei corresponderende auteur Karen Chen-Wiegart, een assistent-professor in Stony Brook's College of Engineering and Applied Sciences die een gezamenlijke aanstelling heeft bij NSLS-II. "Alleen door de samenwerking van een groot onderzoekscentrum als MSEE en een faciliteit van wereldklasse als NSLS-II konden we deze stap zetten. We staan ​​eigenlijk pas aan het begin van een prachtige reis om het complexe en maar fascinerende interacties tussen de materialen en gesmolten zouten met behulp van geavanceerde synchrotron-technieken."