聚变堆中液态锡腐蚀研究

东京工业大学和国立聚变科学研究所的研究人员已经阐明了高温液态金属锡(Sn)和低活化铁素体马氏体(一种聚变反应堆的候选结构材料)之间的化学兼容性。

1、背景

这一发现为开发液态金属锡偏滤器铺平了道路，偏滤器是聚变反应堆的一种先进的排热部件。在聚变反应堆中安装偏滤器装置，可以保持等离子体的纯度。对于偏滤器，需要能够承受来自高温等离子体的极大热负荷的液态金属。

全世界正在积极开发聚变反应堆，作为一种可持续的零碳能源，聚变堆燃料可以从取之不尽的海水中提取。

ITER项目

此外，聚变堆不排放温室气体。除了托卡马克(ITER)的建设外，私营部门的聚变发展也在加快。

在这些聚变反应堆中，最重要的部件之一是偏滤器，这是一种将等离子体中的杂质气化并将气体送至排气泵的部件。

在聚变反应堆的运行过程中，偏滤器的一些结构部件与“进入大气层时的航天飞机”有相同的环境——需要承受着非常大的热负荷。

研究人员正在开发一种固体偏滤器，其中一块耐热材料(如钨)与等离子体接触。

这种固体偏滤器系统也用于ITER项目和聚变原型堆。

作为一种承受来自等离子体的巨大热负荷的创新机制，研究人员还考虑了液体金属偏滤器的概念，该液体金属偏滤器通过用具有优异冷却性能的液体金属覆盖偏滤器的结构材料来保护偏滤器免受等离子体的影响。

锡是一种在我们日常生活中非常常见的金属，例如用作餐具材料和焊料的成分。

锡的熔点相对较低，为232℃，适合在液体状态下使用。

锡的另一个特性是它在高温下的蒸汽压低于其他液态金属。

因此，当液态金属锡用作冷却剂以覆盖和保护聚变反应堆液态金属偏滤器的结构材料表面时，即使被等离子体加热并达到高温，也很难蒸发。

它还具有蒸发金属不太可能与等离子体混合的优点。

然而，结构材料的腐蚀是研究人员一直关注的技术问题。

2、研究结果

液态金属锡(Sn)与聚变堆偏滤器结构材料的化学相互作用。

近藤的实验室专注于与各种结构和功能材料的化学共存。

该实验室特别关注液态金属冷却剂，在聚变反应堆等下一代能源领域引起关注。

研究人员专注于液态金属锡，这揭示了在高温下具有高度反应性的不便特性。

他们致力于明确聚变反应堆结构材料的腐蚀机理，并发现具有耐腐蚀性的材料。

什么是高温液态金属锡，是什么导致其强烈腐蚀性?

浸在液态锡中的聚变堆结构材料(低活化铁素体马氏体钢)的表面层横截面图像。(a)在500℃的液体锡中浸泡25小时。(b)在500℃的液体锡中浸泡250小时。使用扫描电子显微镜拍摄。

还原活化铁素体马氏体(Fe-9Cr-2W-0.1C)是聚变反应堆的主要候选结构材料，基于铁素体-马氏体耐热钢的成分。

假设在反应堆中子辐照环境中使用，低活化铁素体马氏体使用减少诱发放射性的添加元素。

当低活化铁素体马氏体钢与液态金属锡接触时，腐蚀开始前的潜伏期非常短。

如上图(a→b)，研究人员确定钢中含有铁(Fe)，该铁与高温锡反应腐蚀材料，同时在锡上快速形成金属间化合物(FeSn2等)。

除含铁外，低活铁素体化马氏体钢还含有铬和钨等不易与锡反应的元素。

因此，钢的腐蚀速率低于纯铁。

然而，在500℃下10天后，钢形成厚度约为155微米的金属间化合物并发生腐蚀。

当将这些数字外推到一年时，厚度可能达到毫米量级，这是一个非常大的腐蚀速率。

在600℃时，研究人员发现由于腐蚀导致的变薄变得更加严重。

此时，研究人员还发现，由于锡向内扩散到钢的微观结构中，导致了腐蚀的进展。

领导研究团队的东京工业大学近藤正俊副教授，给出了以下解释：“虽然液态金属锡是一种具有多种性质的优秀冷却剂，但它具有腐蚀结构材料的缺点。通过阐明腐蚀机理，我们希望促进液态金属锡不仅用于聚变能，也用于太阳能热发电厂。”

什么材料能承受高温下的高温液态金属锡?

浸入液态金属锡中的氧化物烧结体表面层腐蚀结构的横截面图像

(a)将氧化铁(Fe2O3)烧结体在500℃的液体锡中浸泡262小时。

(b)将氧化铬(Cr2O3)烧结体在500℃的液体锡中浸泡262小时。

使用扫描电子显微镜获得的图像。

研究人员发现，钢/铁基结构材料在暴露于高温液态金属锡时，会发生内外腐蚀，同时形成金属间化合物。

这是因为钢的主要成分铁与高温液态锡发生反应。

因此，研究人员推测，通过在反应之前将铁与氧结合形成氧化物，可以防止与高温锡发生反应。

为了追求这一理论，研究人员测试了氧化铁(Fe2O3)和氧化铬(Cr2O3)在500℃下与液态锡的相容性。(如上图)

当浸入氧化铁烧结材料时，锡部分渗透到烧制过程中产生的孔隙中。

然而，在材料表面上具有锡的反应结构的厚度约为1微米。

这是一种非常薄的反应，仅为低活化铁素体钢的约1%。

此外，当检查氧化铬的烧结材料时，可以看到表面上与锡的反应结构非常薄。

通过这种方式，研究人员发现，即使是像铁这样容易与锡反应的金属元素，也可以通过与氧反应形成氧化物而被显著抑制。

“聚变反应堆中，液态锡偏滤器的操作环境处于极端恶劣的条件下，液态锡的腐蚀和聚变中子的辐照相互叠加。”近藤教授解释道，他领导了日本团队在美国-日本科技合作项目(FRONTIER项目)任务3中的研究。

“在这个项目中，我们与美国橡树岭国家实验室的项目团队成员合作，研究辐射对钢与液态锡的腐蚀反应动力学的影响。”他补充道。

本文讨论的发现阐明了液态金属锡腐蚀的原因和机理，液态金属锡具有较强的腐蚀性。

这项研究将通过帮助开发高可靠性的先进聚变反应堆受热设备，为实现碳中和的社会做出重大贡献。

(资料来源：东京工业大学)