Los investigadores «observan» las sales fundidas cavan pequeños rincones y túneles en las aleaciones metálicas en 3D

Un equipo multidisciplinario de científicos utilizó National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias (DOE) del Departamento de Energía de EE. UU. Ubicada en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, para estudiar cómo las sales fundidas a alta temperatura corroer el metal. aleaciones. El grupo encontró un nuevo enfoque para usar sales fundidas para crear materiales metálicos porosos con matrices microscópicas de huecos y ligamentos metálicos, que podrían tener aplicaciones en varios campos, como el almacenamiento y la detección de energía. Su trabajo también apoya el desarrollo de los reactores de sales fundidas (MSR), una tecnología que podría producir energía nuclear más segura, más barata y más sostenible desde el punto de vista medioambiental.

Las sales fundidas son uno de los principales candidatos como medio para la transferencia de calor a alta temperatura en una variedad de aplicaciones, incluidas las centrales nucleares y solares de concentración de próxima generación. Tienen varias características que las hacen deseables, como puntos de ebullición elevados, calores específicos elevados, conductividades térmicas elevadas y presiones de vapor bajas. Sin embargo, uno de los desafíos de sales fundidas es su corrosividad en contacto con aleaciones.

En RSM, el desvanecimiento sal contiene combustible nuclear en forma disuelta y también sirve como refrigerante primario, operando a 500-900 ° C (aproximadamente 930-1650 ° F). Uno de los pasos clave en el desarrollo de los MSR es obtener un conocimiento sólido de la química de las sales fundidas y cómo interactúan con los materiales estructurales en un reactor de alta temperatura, siendo sus efectos corrosivos el foco principal. Este trabajo ayuda a lograr este objetivo al proporcionar información sobre la desalación de sales fundidas, un proceso mediante el cual ciertos elementos de una aleación de metal se lixivian preferentemente en sal fundida durante la corrosión. Este es el primer estudio que explora el uso de la naturaleza corrosiva de las sales fundidas para desalear y crear deliberadamente estructuras porosas.

La investigación, que se describe en un artículo publicado el 9 de junio de 2021 en Comunicación de la naturaleza, es el resultado de una colaboración entre el NSLS-II y el Brookhaven Energy Frontier Research Center dirigido por Brookhaven (MSEE EFRC). Los EFRC fueron creados por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE para reunir grandes equipos para abordar desafíos de investigación fundamentales complejos e interdisciplinarios para el avance de las tecnologías energéticas. El equipo de MSEE en este trabajo incluyó a miembros de la Universidad de Stony Brook, la División de Química de Brookhaven y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

«La misión de MSEE es proporcionar la ciencia básica de sales fundidas necesaria para activar la tecnología MSR», dijo el director de MSEE y uno de los autores del artículo, el químico de Brookhaven James Wishart.

El trabajo se realizó en dos líneas de luz NSLS-II, la línea de luz de campo completo de imágenes de rayos X (FXI) y la línea de luz de medición de materiales (BMM).

La línea de luz de FXI presenta una técnica de imagen llamada nanotomografía de rayos X 3D, que produce una serie temporal de visualizaciones en 3D, esencialmente una película en 3D, de la estructura interna de una muestra con una resolución de decenas de nanómetros ”, dijo el científico senior de FXI. línea de luz, Wah-Keat Lee, quien también es autor. «Otras instalaciones tienen instrumentos similares, pero FXI puede producir imágenes 20 veces más rápido. Eso es lo que hace que esta línea de luz sea tan útil para estudios como este».

FXI y BMM proporcionan otra técnica llamada espectroscopia de absorción de estructura cercana al borde (XANES), que se utiliza para proporcionar información sobre el estado de oxidación y la estructura local de los elementos de aleación durante la reacción de desalación. Luego, los resultados experimentales se complementaron con modelado y simulación por computadora.

Para poder obtener imágenes de la corrosión de las sales fundidas a alta temperatura, el personal de la línea de luz de FXI, los ingenieros de NSLS-II y el equipo de investigación de MSEE desarrollaron conjuntamente un calentador en miniatura especial que permite mediciones en tiempo real mientras los materiales evolucionan en condiciones de hasta 1000 °. C. Este es un logro importante en sí mismo que se documentó en un artículo reciente, publicado en el Journal of Synchrotron Radiation.

El equipo utilizó el sistema de calentamiento FXI para resolver con el tiempo la evolución morfológica de un alambre de aleación de níquel-cromo (80% Ni / 20% Cr) en una mezcla fundida 50-50 de cloruro de potasio y cloruro de magnesio a 800 ° C. Con el tiempo, el cromo se lixivió del alambre por corrosión y el níquel restante se reestructuró en una red porosa. Esta es la primera vez que los investigadores han observado la estructura 3D cambiante de un material sometido al proceso de desalación a medida que ocurre.

“Vimos el cambio de la muestra ante nuestros ojos y pudimos filmar cada paso, lo cual es notable”, dijo Xiaoyang Liu, candidato al doctorado de Stony Brook, uno de los primeros coautores del artículo.

El equipo observó que el proceso de desalación comienza primero en la interfaz entre la aleación y la sal y se extiende al centro de la aleación, creando la red de poros. A medida que el cromo se lixivia en la sal fundida, los poros y las cavidades se agrandan (esto se llama «aumento») debido a la difusión de átomos de Ni a la superficie de la aleación.

La morfología tridimensional del material formado en este estudio se clasifica como «bicontinuo», lo que significa que las dos fases, la aleación y la red de poros creados por la corrosión de la sal, son continuas e ininterrumpidas. Los materiales porosos bicontinuos son de gran interés para los investigadores debido a su reducido peso, grandes superficies, capacidad de transporte masivo de fluidos a través de los poros y conductividad eléctrica o térmica a través de la matriz del material. Bicontinuo aleaciones metálicas, especialmente aquellos con un tamaño de poro fino, tienen muchas aplicaciones potenciales en varios campos, incluido el almacenamiento, la detección y la catálisis de energía.

Históricamente, se han utilizado varios métodos para crear estos materiales tan buscados, incluido el grabado ácido del elemento que se corroe más fácilmente o la disolución selectiva en metal líquido. Sin embargo, el enfoque de sales fundidas, que no se ha explorado antes, funciona a través de diferentes mecanismos y sigue diferentes reglas que pueden proporcionar un mayor grado de control sobre los procesos de lixiviación y reestructuración, lo que potencialmente da como resultado materiales de calidad superior. Ce degré de contrôle est possible car les capacités d’imagerie de la ligne de lumière FXI permettent aux chercheurs de quantifier les taux des processus de désalliage et de grossissement lorsqu’ils modifient des paramètres tels que la température et la composition de l’alliage et sal.

«La línea de luz FXI fue absolutamente esencial para este trabajo», dijo el estudiante de doctorado de Stony Brook Arthur Ronne, el otro primer autor conjunto y coautor correspondiente. «Su resolución temporal, con la capacidad de observar el cambio de estructura en una escala de minutos a una excelente resolución espacial a nanoescala, junto con el horno que construimos conjuntamente, hizo posible este estudio».

Este trabajo, y su continua extensión a los efectos de la temperatura y la composición de sales y aleaciones, es muy importante para el diseño de sistemas de reactores de sales fundidas duraderos, que cubren un rango de temperaturas donde los mecanismos de corrosión por estos procesos podrían variar según diferentes ubicaciones y también dependen del contenido de sal combustible. El equipo utilizará la línea de luz FXI y otras técnicas avanzadas para obtener la información mecánica necesaria para permitir tales predicciones. Al hacerlo, obtendrán información clave para guiar la preparación deliberada de materiales de aleación bicontinua con morfologías y propiedades específicas para una amplia gama de aplicaciones.

«Detrás de este trabajo hay una gran cantidad de científicos e ingenieros increíbles», dijo la autora correspondiente Karen Chen-Wiegart, profesora asistente en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Stony Brook y publicación conjunta en NSLS-II. «Fue solo a través de la asociación de un gran centro de investigación como MSEE y una instalación de clase mundial como NSLS-II que pudimos dar este paso. Realmente estamos solo al comienzo de un viaje maravilloso para explorar más a fondo el complejo y interacciones aún fascinantes entre materiales y sales fundidas utilizando técnicas avanzadas de sincrotrón «.