麻省理工《Nature Commun》：核辐射居然也可能缓解晶界腐蚀！

来源：材料科学与工程

核辐射对材料的影响大多都是负面的，例如脆化，加速蠕变，相不稳定性，加速腐蚀。这些往往限制了核电的安全性。例如，在现行的商业反应堆里，水作为冷却剂，会腐蚀堆里的金属结构材料，导致材料性能和寿命的衰减。而堆内的辐照往往会加剧腐蚀的速度。

来自美国麻省理工学院（MIT）和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的研究人员，展示了质子辐照在一定条件下可以减缓熔盐导致的晶界腐蚀的实验结果，与之前人们关于“辐照总会加剧材料腐蚀”的认知相反。相关论文以题为“Proton irradiation-decelerated intergranular corrosion of Ni-Cralloys in molten salt” 近期发表在Nature Communications杂志上。该结果对于提高熔盐堆（新型反应堆之一，使用了熔化的氟化盐作为冷却剂）的安全性具有一定的意义。

研究人员通过在同一个镍铬合金样品的局部引入质子辐照的对比实验(图1a)，观测到在没有质子辐照的部分，熔盐腐蚀的空洞已经穿透了薄膜样品（图1的f，i，l）。而在有质子辐照的部分，基本上没有观测到熔盐腐蚀对样品的穿透（图1的d，g，j）。这导致了在样品的背面（远离熔盐的一侧，即图a样品左侧），研究人员观察到一个没有被熔盐腐蚀穿透的圆形区域（图1的e，h，k）, 其恰好和质子辐射光斑的位置重合。

图1:（a）实验装置示意图（侧视图）：样品的左边与高能质子枪连接，右边与熔盐接触。样品的中间的一个圆形区域会受到质子轰击，因此会受到熔盐腐蚀和质子辐照的双重影响。周围的圆环区域则只被腐蚀影响。（b）质子注入的离子以及其造成的空位的浓度沿着深度方向的分布。（c）图a中样品的正视图。（d-l）光学显微镜和扫描电子显微镜下拍摄的腐蚀过后的样品表面（靠近质子辐照一侧，即图a中样品左侧）。d-f，g-i，j-l分别对应不同的质子辐照流强：2.5μA/cm2，2 μA/cm2，1.5 μA/cm2

图2: 研究人员对材料横截面进行了大面积的扫描电镜表征以及统计分析，进一步证实了质子辐照减缓腐蚀深度的结论。

辐照一般被认为会改变熔盐的化学性质，增加熔盐腐蚀性。研究人员在单质铁上重复了相同的实验，发现质子辐照会加剧熔盐腐蚀，与在镍铬合金中的情况相反。研究人员通过人工智能的算法分析了腐蚀后纯铁表面晶界腐蚀的区域的分布，发现该区域比质子光斑的区域略大（见图3）。这说明了在单质铁的体系里，质子和腐蚀的相互作用主要体现在质子辐照导致熔盐的腐蚀性增强。由于熔盐的可流动性，实际看到的加剧腐蚀的区域会比质子辐照的区域略大。由此，研究人员推断：在镍铬合金中观察到的辐照减慢腐蚀现象与“质子辐照-熔盐”的相互作用无关，而与“质子辐照-金属”的相互作用有关。

图3。(a)样品区域示意图。（b）对应a中的方框区域的扫描电镜图。（c）样品的边缘的扫描电镜图显示没有晶界腐蚀。（d）样品中间的区域的扫描电镜图显示了晶界腐蚀。（e）用人工智能算法分析a图后，研究人员将晶界腐蚀的区域标记为红色。白色虚线圆圈包含了有质子辐照的区域。

研究人员进一步提出了腐蚀被质子辐照减慢的机理。由于镍铬合金中的铬元素与熔盐的反应产物更稳定，因此在腐蚀的过程中，铬元素会优先被腐蚀。在腐蚀过程中，铬元素会沿着晶界流向熔盐所在的地方。晶界中的铬元素的大量流失会导致晶界内孔洞的形成。在质子辐照下，材料中产生了大量的间隙原子。这些间隙原子，会填充晶界中因为铬流失后产生的空位。通过加速这个填充过程，辐照减慢了空位在晶界的聚集速率，从而减缓了晶界空洞的形成（图4）。

图4.辐照减缓镍铬合金在熔盐中的晶界腐蚀的机理。

最后，研究人员讨论了中子辐照对熔盐腐蚀可能的影响。如果这种减缓腐蚀的效应对中子也适用，那么该机制对于实际应用将具有重要的意义。