研究揭露鉻元素如何影響熔鹽核反應爐的腐蝕問題

核反應爐內部的高溫與遊離輻射會形成極度腐蝕性的環境。為了設計出更耐用的反應爐，科學家必須瞭解輻射誘發的化學反應如何影響結構材料。

美國能源部所屬的布魯克海文國家實驗室與愛達荷國家實驗室的化學家們近期進行了一項突破性研究。他們發現，在一種以熔鹽作為冷卻劑的新型反應爐中，輻射誘發的反應可能有助於減緩金屬材料的腐蝕速度。這項重要發現已發表在《物理化學化學物理》期刊上。

布魯克海文實驗室的傑出化學家詹姆斯·威沙特解釋：「熔鹽反應爐是一項新興技術，能提供更安全、可擴充套件的核能生產方式。相較於傳統水冷式反應爐，這種先進技術能在更高溫、更有效率的條件下運作，同時維持相對常壓的狀態。」

與水冷式反應爐不同，熔鹽反應爐使用的冷卻劑完全由帶正負電的離子組成，這些離子只有在高溫下才會保持液態。這就像將食鹽晶體加熱至熔融狀態，無需新增其他液體就能流動。

威沙特強調：「為了確保這些新型反應爐的長期可靠性，我們必須瞭解熔鹽在輻射環境中如何與其他元素相互作用。」

研究團隊特別關注鉻元素的變化，因為這種金屬經常被用於熔鹽核反應爐的合金材料中。威沙特指出：「鉻通常是合金中最容易被腐蝕的元素，最終會累積在熔鹽冷卻劑中。」

當鉻溶解到熔鹽中，某些化學形態會加速腐蝕過程，影響反應爐的結構完整性與效能。鉻離子氧化態的分佈（即這些離子有多少電子空缺可供化學反應）可能是決定腐蝕是否發生的關鍵因素。

威沙特說明：「在某些情況下，溶解的三價鉻離子（Cr³⁺，具有三個電子空缺）會加速腐蝕，而二價鉻離子（Cr²⁺，僅有兩個電子空缺）則不會。」由於鉻在大多數熔鹽中都能以Cr³⁺和Cr²⁺的形態穩定存在，因此瞭解這些離子如何與輻射場產生的物質反應至關重要。

布魯克海文實驗室擁有獨特的設施，能夠觸發輻射誘發反應並即時追蹤，時間解析度可達兆分之一秒至數分鐘。研究團隊利用這些先進裝置，測量了兩種鉻離子在熔鹽中與輻射產生物質的反應速率及溫度依賴性。

威沙特總結道：「我們的分析顯示，在熔鹽環境中，輻射的淨效應是將具腐蝕性的Cr³⁺轉化為腐蝕性較低的Cr²⁺。」這項研究是美國能源部科學辦公室於2018年在布魯克海文國家實驗室設立的「極端環境中的熔鹽」能源前沿研究中心的重要成果，該中心專門研究熔鹽在核能環境中的基本特性與潛在應用。