为聚变反应堆选择合适的结构材料

两种有前途的结构材料在与聚变反应堆中的“液态金属燃料增殖剂”接触时会在非常高的温度下腐蚀吗?东京工业大学、YNU 和 QST 的研究人员现在有了答案。反应堆结构材料与液体增殖器的这种高温相容性——反应堆核心周围的衬里，吸收和捕获反应堆内等离子体中产生的高能中子——是聚变反应堆设计成功的关键。

聚变反应堆可能是产生清洁电力的有力手段，目前正在探索几种潜在的设计。在聚变反应堆中，两个原子核的聚变会释放大量能量。这种能量以热量的形式被困在反应堆核心周围的“增殖毯 (BB)”中，通常是液态锂合金。然后将这些热量用于运行涡轮机并发电。BB还具有聚变燃料增殖的基本功能，为反应堆的无休止运行创造一个封闭的燃料循环，而不会耗尽燃料。

BB 在超过 1173 K 的极高温度下运行具有从水中制氢的有吸引力的功能，这是实现碳中和社会的一项有前途的技术。这是可能的，因为 BB 通过吸收聚变反应的能量加热到 1173 K 以上。在这样的温度下，与 BB 接触的结构材料存在被腐蚀的风险，从而影响反应堆的安全性和稳定性。因此，有必要找到在这些温度下与 BB 材料化学相容的结构材料。

目前正在探索的一种 BB 是液态金属 BB。这种 BB 的一个有希望的候选者是液态锂铅 (LiPb) 合金。作为在极高温度下与液态 LiPb 兼容的结构材料的候选材料，正在探索某种碳化硅 (SiC) 材料、CVD-SiC 和在空气中预氧化的铁-铬-铝 (FeCrAl) 合金。但在 973 K 之后，缺乏关于这种兼容性的信息。

现在，由东京工业大学 (Tokyo Tech)、国立量子科学技术研究院 (QST) 和日本横滨国立大学 (YNU) 的科学家团队，由东京工业大学的近藤雅聪教授领导，已在更高的温度。他们的发现发表在《腐蚀科学》上。“我们的研究明确了 CVD-SiC 和 FeCrAl 合金在高达 1173 K 的液态 LiPb 中的耐腐蚀性机制的细微差别，”Kondo 教授解释说。

该团队首先通过在真空条件下在设备中熔化和混合锂和铅的颗粒来合成高纯度锂铅。然后他们将合金加热到上述温度，并在此温度下液化。将 CVD-SiC 样品和两种 FeCrAl 合金变体(经过和不经过预氧化处理以形成 α-Al2O3表面层)置于这种液态 LiPb 中 250 小时进行腐蚀测试。Kondo 教授观察到，“一个有趣的发现是，与以前的文献相反，氧化预处理以形成 α-Al2O3层并不能提供超过 1023 K 的耐腐蚀性。”

检索到的样品的横截面显示，CVD-SiC 与 LiPb 合金中的杂质反应形成一层复合氧化物，从而使其具有耐腐蚀性。未经处理的 FeCrAl 合金在与 LiPb 反应后形成一层氧化物 γ-LiAlO2，​​然后起到防腐蚀屏障的作用。在预处理FeCrAl的情况下，α-Al2O3表面层在873 K时提供耐腐蚀性，但在1173 K时转变为γ-LiAlO2 ，​​然后是γ-LiAlO2提供耐腐蚀性。