有益的辐射？工程师惊讶地发现辐射可以减缓腐蚀

这些光学和扫描电子显微镜图像显示了镍铬合金的辐照区和未辐照区。左侧显示了带有辐射的箔的示例；辐射并没有像通常那样使材料降解，而是通过降低腐蚀速率实际上使其变得更坚固。

研究发现，在某些合金中，暴露于质子辐射下可以延长材料的寿命。

辐射几乎总是使暴露于其中的材料退化，加剧其退化，并需要在高辐射环境（例如核反应堆）中更换关键组件。但是对于某些可以在裂变或聚变反应堆中使用的合金，事实恰恰相反：麻省理工学院和加利福尼亚的研究人员现在发现，辐射并没有加快材料的降解速度，反而实际上提高了它的抵抗力，有可能使材料的使用寿命延长一倍。

这一发现可能对某些新的，先进的反应堆设计（包括熔融盐冷却裂变反应堆）和新的聚变反应堆（例如由MIT和Commonwealth Fusion Systems开发的ARC设计）大有裨益。

这项发现令核科学家感到惊讶，今天在《自然通讯》杂志上发表了这一发现，该论文由麻省理工学院的核科学与工程学教授迈克尔·肖特，研究生韦伟岳以及麻省理工学院和劳伦斯·伯克利大学的其他五位论文国家实验室。

肖特说，这一发现有点偶然。实际上，研究人员正在寻找量化相反作用的方法。最初，他们想确定多少辐射会增加某些镍和铬合金的腐蚀速率，这些合金可用作核燃料组件的包层。

由于无法直接在用作冷却剂的熔融盐和金属合金表面之间的界面上测量温度，因此实验难以进行。因此，有必要通过用一连串传感器包围材料间接地指出条件。然而，从一开始，测试就显示出相反效果的迹象-在这种情况下，腐蚀是反应堆容器在恶劣环境中材料失效的主要原因，腐蚀似乎在减少而不是加速，而不是加速高通量的质子

肖特说：“我们在不同的条件下重复了数十次，而且每次得到相同的结果时，都会显示出延迟的腐蚀。

小组在实验中模拟的反应堆环境涉及使用熔融的钠，锂和钾盐作为裂变反应堆中的核燃料棒和围绕超热，旋转等离子体的真空容器的冷却剂，以在未来的聚变中使用反应堆。在热的熔融盐与金属接触的地方，腐蚀会迅速发生，但是对于这些镍铬合金，他们发现，当材料浸入质子促进剂的辐射中时，腐蚀发生的时间是原来的两倍。辐射环境类似于拟议中的反应堆。

肖特说，能够更准确地预测关键反应堆组件的使用寿命，可以减少对零件进行抢先式抢先更换的需求。

在以650摄氏度（此类反应器中盐的典型工作温度）照射与熔融盐接触的金属后，使用透射电子显微镜仔细分析了受影响的合金表面的图像，有助于揭示引起意外效应的机理。辐射倾向于在合金的结构中产生更小的缺陷，这些缺陷使金属原子更容易扩散，并流入以迅速填充由腐蚀性盐产生的空隙。实际上，辐射损伤促进了金属内部的一种自愈机制。

肖特说，半个世纪前曾有过这样的暗示，当时使用早期的实验性盐冷却裂变反应堆进行的实验表明其材料的腐蚀低于预期，但在这项新工作之前，其原因一直是个谜。 。肖特说，即使在这个团队的初步实验发现之后，“我们花了更长的时间才能理解它。”

肖特说，这一发现可能与各种建议的反应堆新设计有关，这些新设计比现有设计更安全，更有效。有人提出了几种盐冷裂变反应堆的设计方案，其中一个是由麻省理工学院核科学与工程系首席研究科学家查尔斯·福斯伯格（Charles Forsberg）领导的小组进行的。这些发现对于启动公司正在积极寻求的新型聚变反应堆的几种拟议设计也很有用，这些公司具有提供无温室气体排放和少得多的放射性废物的电力的潜力。

肖特说：“这并不关乎任何一种设计。”“它可以帮助所有人。”

参考：周伟岳，杨扬，郑桂秋，Kevin B.Woller，Peter W.Stahle，Andrew M.Minor和Michael P.Short于2020年7月9日发表的“熔融盐中镍铬合金的质子辐照-减速的晶间腐蚀”，自然通讯.DOI：
10.1038 / s41467-020-17244-y

研究团队包括麻省理工学院的K. Woller，P。Stahle和G. Q. Zheng，以及劳伦斯伯克利国家实验室的Y. Yang和A. M. Minor。这项工作得到了Transatomic Power Corporation和美国能源部的支持。