研究人员展示了观察核级石墨中熔盐侵入的新技术

为了回应国际社会对熔盐反应堆重新产生的兴趣，能源部橡树岭国家实验室的研究人员开发了一种新技术，可以可视化石墨中的熔盐侵入。

在20世纪60年代ORNL革命性的熔盐反应堆实验(MSRE)期间，科学家们首次证明了使用熔融氟化物盐作为燃料载体和冷却剂进行核裂变反应的可行性，以取代传统核反应堆中使用的固体燃料和水。反应堆。熔盐反应堆设计显示出作为无碳发电手段的巨大前景。

为了减慢中子的速度，使其能够轻松促进核裂变，核反应堆使用了一种称为慢化剂的材料。为了调节MSRE，科学家们使用了人造石墨，这种石墨由于制造过程中产生的广泛孔隙系统而具有抗热冲击性和尺寸稳定性。

MSRE石墨是定制的，经过特殊涂层处理，可降低孔隙率，并防止液压和气压导致熔盐渗入石墨孔隙时可能产生的有害影响。此外，防止熔盐侵入可以避免反应堆退役期间废物管理的其他问题。

1969年ORNL的实验结束后，直到21世纪，熔盐反应堆的潜力基本上尚未得到开发，而对特种石墨的需求较低，导致国内石墨制造商停产了该材料。随着熔盐反应堆研究的增加，但没有MSRE石墨，当今的科学家必须找到一种替代石墨来成功缓和熔盐中的核反应。

然而，熔盐侵入影响的模糊性给发现带来了障碍。科学家们对于哪些微观特征使某些石墨等级能够比其他石墨等级更好地抵御侵入以及盐侵入如何影响石墨的其他性能了解有限。

为了解决这些不确定性，由NidiaGallego和JisueMoon领导的ORNL科学家团队研究了各种石墨等级的熔盐侵入，并验证了第一种可视化和监测石墨孔隙中熔盐渗透深度和分布的技术。

“作为材料科学家，帮助测试和开发我们可以使用的技术，或者更好地了解我们需要做什么来了解进入孔隙的盐如何影响石墨的机械或热性能，对于我们来说至关重要”，ORNL化学科学部杰出研发科学家加莱戈(Gallego)说道。

传统上，科学家通过在暴露于熔盐之前和之后称量石墨来测量盐侵入。橡树岭国家实验室的研究人员希望通过实际观察石墨内部发生的情况来更详细地了解入侵。

加莱戈和放射性同位素科学技术部的研发副科学家穆恩首先尝试使用X射线断层扫描来评估盐侵入，但这种耗时的方法需要较小的样本量，并且无法提供足够的对比度来仔细观察石墨的孔隙内部。

该团队转向中子成像，该技术适用于大体积样本。

熔盐侵入石墨的情况因石墨等级而异。中细石墨的孔隙比超细石墨大，盐会渗透到材料中更深的地方。图片来源：Yuxuan张、NidiaGallego、JisueMoon/ORNL、美国能源部

“在我们开始使用中子成像之前，我们必须破坏样本，以便使用显微镜技术可视化盐的侵入，”穆恩说。“然而，通过中子成像，我们可以对整个样品进行三维计算机断层扫描，以可视化盐分布，然后我们可以根据需要进行额外的分析。”

研究人员利用高通量同位素反应堆(HFIR)(ORNL的美国能源部科学办公室用户设施)的多模态高级放射成像站仪器，首次实现了石墨孔隙中熔盐分布的3D直接可视化，这是一项新颖的成就。

在中子成像中，中子衰减系数(描述中子束穿过材料时如何减弱)在石墨和氟化物盐之间存在很大差异。这种差异在研究人员重建石墨切片时观察到的材料之间产生了强烈的视觉对比。

加莱戈说：“中子成像是完美的，因为它确实使我们能够直观地看到盐的去向。”

加莱戈和穆恩利用3D重建，比较了不同粒径等级的石墨孔隙中的熔盐渗透情况。在盐暴露实验中使用的特定压力和温度条件下，研究人员确定，在大多数超细晶粒石墨中，渗透是不均匀的，仅限于石墨表面下方的前几毫米，并且集中在样品横截面的周边。

中细晶粒石墨比超细晶石墨具有更大的孔隙，盐渗透到材料中更深，并完全覆盖样品横截面的区域。

该团队最终确定石墨微观结构(描述孔隙的大小和分布)是确定给定温度和压力下熔盐渗透和密度分布的最重要因素。

“熔盐入侵可能会严重影响熔盐反应堆的运行，”穆恩说。“这项研究可以帮助我们了解石墨材料中盐的影响，从而帮助我们开发更标准化的方法来设计合适的石墨。”

在《Carbon》杂志上发表他们的发现后，Gallego和Moon正在继续与HFIR科学家进行研究，以改善中子成像resolutionandobservemoltensaltintrusionwithadditionaltemperature,pressureandtimevariables.

加莱戈说：“从技术角度来看，有很多改进和发展是可能的，并且引起了科学家的兴趣，这也将使我们对过程的动力学和动力学有更多的了解。”