避免融合反应堆中的高温材料腐蚀

Azom与东京技术研究所的Masatoshi Kondo博士谈到了液体金属以及高温下融合反应器中材料的腐蚀。亚博网站下载

请您介绍自己，以及如何研究液体金属？

我的名字叫Masatoshi Kondo，我是日本东京理工学院创新研究所的工程博士和副教授。

液体金属是能源发电厂的创新冷却剂，因为它们具有出色的热性能（即良好的导热性和高沸点），如表1所示。但是，液体金属与能量发电厂结构材料的化学兼容性是一种亚博网站下载需要解决的重要问题。

表1：液体金属的主要热性能

	熔点 k	沸点 k	导热系数 （w/mk）800 k
钠（NA）	371	1155	53
锡（SN）	505	2543	33
铅 - 信徒共晶（LBE或PBBI）	397	1943年	14
锂铅共晶（LLE或LIPB）	235	1992	25

当我是东京理工学院的研究生时，我开始研究液体金属的兼容性问题。我的博士学位论文的标题是“研究液体合金的流动铅晶和化学控制中钢和陶瓷的冶金变化”，其中描述了重金属中材料腐蚀的缓解方法。我已经研究了液态金属技术已有20年了，我发表了80多种有关液态金属问题的国际文章。yabo214

液体金属。视频来源：Masatoshi Kondo博士

传统上在融合反应堆中用作“繁殖毯”的材料是亚博网站下载什么？它们的功能是什么？

融合反应堆可能是发电清洁电力的强大手段，目前正在探索几种潜在的设计。在融合反应堆中，两个核原子的融合释放了大量能量。这种能量被捕获在“繁殖毯（BB）”中，例如液态锂合金，围绕反应堆芯。然后将这种热量用于运行涡轮机并发电。BB还具有融合燃料繁殖的基本功能，用于创建一个封闭的燃油周期，以无需燃料耗竭的反应器的无尽操作。

什么是“液态金属燃料育种者”？

融合反应器的液体金属燃料育种者称为“液体育种者”，带有液体育种者的BB称为“液体毯”。该液体毯是融合反应堆的高性能组成部分，因为它可以同时产生热量和融合燃料。

液体毯在极高温度以上的液体毯子的运行功能是从水中产生氢的功能，这是一种实现碳中性社会的有前途的技术。这是可能的，因为通过吸收融合反应中的能量，BB加热了超过1100 k。在这种温度下，存在与BB腐蚀接触的结构材料的风险，从而损害了反应器的安全性和稳定性。亚博网站下载因此，必须在这些温度下找到与BB材料化学兼容的结构材料。亚博网站下载

您可以表现出什么温度直到腐蚀性？

液体金属是在工作温度下液态的金属或金属合金。由于溶解和合金的反应，液体金属可以溶解结构材料的某些金属元件（例如铁（Fe），铬（CR）和镍（Ni））。亚博网站下载由于在高温下在高温下暴露于液体金属时，由于金属元件的耗竭，由于金属元件的耗竭，结构材料的表面可能会变成多孔。亚博网站下载

图2引入了一些在液体金属中腐蚀的钢的例子。由于金属元素从其表面耗尽，在823 K大约823 K处显着腐蚀了钢。在较高的温度下，腐蚀强度更为重要。因此，预计任何结构材料都可以在900°C的液体LIPB中生存。亚博网站下载

图2液体金属中腐蚀的钢的示例（a）在823 K下暴露于液体PBBI流量后，持续1000小时[参考。1]，（b）在873 K下暴露于液体SNLI 250小时后[参考。2]和（c）在873 K处暴露于液体SNLI 750小时后[参考。2]

您的研究探索了某些结构材料在更高温度下的耐腐蚀性。亚博网站下载这些是什么亚博网站下载材料，为什么他们被选为您的研究？

我们来自东京理工学院（东京理工学院），国立量子科学技术研究院以及日本横滨国立大学的科学家团队在更高的温度下表现出兼容性。亚博老虎机网登录我们最近的研究清楚地表明了液体LIPB中CVD-SIC和粪便合金的耐腐蚀性机制的细微差别。我们最近在一篇文章中报道了研究结果腐蚀科学亚博老虎机网登录，这是关于材料兼容性的权威期刊。

如图3所示，我们的团队首先通过在真空条件下在设备中融化和混合Li和Pb的颗粒来合成高纯度LIPB，然后将合金加热到上述温度，届时将其液化。CVD-SIC的样品和两种繁殖合金的变体，没有氧化前处理以形成α-AL₂o₃表面层 - 将其放在该液体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，氧化预处理形成α-al₂o₃层没有提供1023 K以上的耐腐蚀性。”

图3高纯度LIPB合金的合成设备

图4在发表的文章中解释了我们的研究结果的重点。

检索样品的横截面表明，CVD-SIC与LIPB合金中的杂质反应，形成一层复杂的氧化物，然后为其提供了耐腐蚀性。未处理的粪便合金形成了氧化物γ-lialo的一层₂与LIPB反应后，后者充当抗腐蚀屏障。在预先处理的粪便中，α-al₂o₃表面层在873 K时提供了耐腐蚀性，但转化为γ-Lialo₂在1173 K，是γ-Lialo₂然后提供耐腐蚀性。

这些发现的见解有望在设计和选择融合反应堆的新结构材料时被证明是有用的，这可能为更绿色的经济铺平道路。亚博网站下载

图4液体LIPB中SIC和粪便合金的耐腐蚀性高达1173 K

您认为融合反应堆对清洁能源革命有多重要？

融合反应堆可以提供大量的能量，而无需CO₂排放。融合燃料是氘和trium。融合反应产生的高能量中子可以根据液体毯子中的li向trip的tragonthter繁殖。氘和锂可以从海水中回收，这使它们丰富。因此，融合燃料实际上是取之不尽的。因此，融合反应堆是一项有前途的技术，可以基于碳中立有助于人类社会的可持续发展。

您的研究对于扩大融合反应堆进行清洁能源生产的努力将有多重要？

我们澄清说，繁殖合金可以与高达1173 K的液态金属化学兼容。当液体毯可以在1173 K下操作时，融合反应器可以从水和生物量中产生氢。因此，融合反应器不仅可以提供电力，还可以提供氢气。对于社会的未来。

读者在哪里可以找到更多信息？

研究链接：

masatoshi kondo^{1，⁎，，，，}Susumu Hatakeyama²，Naoko Oono³，高夏·诺泽（Takashi Nozawa）^4。液体LIPB融合毯的耐腐蚀材料在升高温度亚博网站下载运行中。腐蚀科学。亚博老虎机网登录10.1016/j.corsci.2021.110070

¹日本东京理工学院创新研究所²日本东京理工学院工程学院核工程专业³日本横滨国立大学⁴日本国家技术量子科学学院亚博老虎机网登录

一个名为“液体金属，塑造我们的世界”的研究摘要视频于2021年6月发布。该视频解释了金属在相对较低的温度下成为水和油等液体的吸引力，并独特地应用了研究它们。当我们想到液态金属时，我们会想象金属制造和金属焊接工艺中的金属。已知液态金属可以很好地传递热量，并且在能源植物中用作制冷剂也有充分的文献记载。该视频显示了研究人员如何通过尝试完全不同的应用方法来产生影响。视频来源：东京Tech/YouTube.com

进一步的参考

参考文献1：M。Kondo，M。Takahashi，T。Suzuki，K。Ishikawa，K。Hata，S。Qiu，H。Sekimoto，关于暴露于液体铅铅流的钢铁侵蚀和腐蚀行为的冶金研究，J。nucl。母校。343（2005）349-359。

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2004.08.037

参考文献2：M。Kondo，M。Ishii，T。Muroga，熔融凝胶（GA）中钢的腐蚀，锡（SN）和锡锂合金（SN-20LI），Fusion Eng。des。98–99（2015）2003-2008。

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.05.051。

关于Masatoshi Kondo博士

Dr. Kondo received his doctorate at the Graduate School of Science and Engineering Department of the Nuclear Engineering Tokyo Institute of Technology in 2006. Dr. Kondo’s lab, the Laboratory for Zero-Carbon Energy the department of nuclear engineering, at the Tokyo Institute of Technology, conducts research on the material and thermal hydraulics studies for fission and fusion reactors. He is actively involved in numerous committees, including the Japan Society of Plasma Science and Nuclear Fusion Research, and the Atomic Energy Society of Japan.