Un equipo multidisciplinario de científicos ha utilizado el National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. ubicada en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, para investigar cómo las sales fundidas a alta temperatura corroen las aleaciones metálicas. El grupo encontró un enfoque novedoso para usar sales fundidas para crear materiales metálicos porosos con redes microscópicas de huecos y ligamentos metálicos. que podría tener aplicaciones en una variedad de campos, como el almacenamiento y la detección de energía. Su trabajo también apoya el desarrollo de reactores de sales fundidas (MSR), una tecnología que podría producir de forma más segura, más económico, y energía nuclear 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, incluyendo plantas de energía solar concentrada y nuclear de próxima generación. Tienen varias características que las hacen deseables, como puntos de ebullición altos, altos calores específicos, altas conductividades térmicas, y bajas presiones de vapor. Sin embargo, Uno de los desafíos de las sales fundidas es su corrosividad cuando entran en contacto con aleaciones.

En MSR, la sal fundida contiene el combustible nuclear en forma disuelta y también sirve como fluido primario de transferencia de calor, operando a 500–900 ° C (aproximadamente 930–1650 ° F). Uno de los pasos clave para desarrollar MSR es obtener un conocimiento firme de la química de las sales fundidas y cómo interactúan con los materiales estructurales en un reactor a altas temperaturas. siendo sus efectos corrosivos un foco principal. Este trabajo ayuda a abordar ese objetivo al proporcionar información sobre la distribución de sales fundidas, un proceso por el cual ciertos elementos dentro de una aleación de metal se lixivian preferentemente en la sal fundida durante la corrosión. Es el primer estudio que explora el uso de la naturaleza corrosiva de las sales fundidas para desalear y crear estructuras porosas a propósito.

La investigación, que se describe en un artículo publicado el 9 de junio de 2021 en Comunicaciones de la naturaleza , es el resultado de una colaboración entre NSLS-II y el Centro de Investigación de la Frontera de la Energía de Sales Fundidas en Ambientes Extremos (MSEE EFRC) liderado por Brookhaven. Los EFRC fueron establecidos por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE para reunir a grandes equipos para abordar desafíos de investigación fundamentales complicados 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, División de Química de Brookhaven, y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

"La misión de MSEE es proporcionar la ciencia fundamental de sales fundidas necesaria para habilitar 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 imágenes de rayos X de campo completo (FXI) y la línea de luz para medición de materiales (BMM).

"La línea de luz 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 principal de la línea de luz FXI, Wah-Keat Lee, que también es autor. "Otras instalaciones tienen instrumentos similares, pero FXI puede producir imágenes 20 veces más rápido. Esto es lo que hace que esta línea de luz sea tan útil para estudios como este ".

Tanto FXI como BMM proporcionan otra técnica llamada espectroscopia de estructura cercana al borde de absorción de rayos X (XANES), que se utiliza para proporcionar información sobre el estado de oxidación y la estructura local de los elementos de la aleación durante la reacción de desaleación. Luego, los resultados experimentales se complementaron con modelos y simulación computacionales.

Para poder obtener imágenes de corrosión por sales fundidas a alta temperatura, el personal de la línea de luz de FXI, 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 fue un logro importante en sí mismo que se documentó en un artículo reciente, publicado en Journal of Synchrotron Radiation.

El equipo utilizó el sistema de calentamiento FXI para resolver en el tiempo la evolución morfológica de un alambre de aleación de níquel-cromo (80% Ni / 20% Cr) en una mezcla 50-50 fundida de cloruro de potasio y cloruro de magnesio a 800 ° C. A medida que pasaba 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 cambiante en 3D de un material que se somete al proceso de desarticulación a medida que ocurre.

"Vimos el cambio de muestra frente a nuestros ojos y pudimos tomar un video de cada paso, que es notable, "Dijo el candidato al doctorado de Stony Brook, Xiaoyang Liu, uno de los primeros autores conjuntos del artículo.

El equipo observó que el proceso de desbloqueo comienza primero en la interfaz entre la aleación y la sal y se propaga hasta el centro de la aleación. creando la red de poros. A medida que el cromo se lixivia aún más en la sal fundida, los poros y las cavidades se hacen más grandes (lo que se denomina "engrosamiento") como resultado de la difusión de átomos de Ni en la superficie de la aleación.

La morfología tridimensional del material formado en este estudio se clasifica como "bicontinuo, "lo que significa que ambas 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 para el transporte masivo de fluidos a través de los poros, y conductividad eléctrica o térmica a través de la matriz del material. Aleaciones metálicas bicontinuas, especialmente aquellos con tamaños de poros finos, tienen numerosas aplicaciones potenciales en varios campos, incluido el almacenamiento de energía, sintiendo y catálisis.

Históricamente se han empleado varios métodos para crear estos materiales tan buscados, incluido el grabado ácido del elemento que se corroe más fácilmente, o disolución selectiva en metal líquido. Sin embargo, el enfoque de la sal fundida, que no ha sido explorado previamente, opera por diferentes mecanismos y sigue diferentes reglas que pueden proporcionar un mayor grado de control tanto de los procesos de lixiviación como de reestructuración, potencialmente resultando en materiales superiores. Este grado de control es posible porque las capacidades de generación de imágenes en la línea de luz FXI permiten a los investigadores cuantificar las tasas de los procesos de desasociado y engrosamiento a medida que cambian parámetros como la temperatura y la composición de la aleación y la sal.

"La línea de luz FXI fue absolutamente fundamental para este trabajo, "dijo Arthur Ronne, estudiante de doctorado de Stony Brook, el otro primer autor conjunto y coautor correspondiente. "Su resolución de tiempo, con la capacidad de observar el cambio de estructura en la escala de minutos con 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 la sal y la aleación, es muy importante para el diseño de sistemas de reactores de sales fundidas duraderos, que abarcan un rango de temperaturas donde se podría predecir que los mecanismos de corrosión por estos procesos varían en diferentes lugares, y también dependen del contenido de la 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 orientar 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 multitud de científicos e ingenieros increíbles, "dijo la autora correspondiente Karen Chen-Wiegart, un profesor asistente en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Stony Brook que ocupa un cargo conjunto 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 fascinantes entre los materiales y las sales fundidas utilizando técnicas avanzadas de sincrotrón ".