科学家对液态金属用于聚变反应堆冷却防护研究取得进展

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图1 （a）扫描透射电子显微镜图像;（b） 铝和氧的能量色散X射线元素映射图像;（c） 通过EDX分析绘制钛、钇和锆的元素映射图像。资料来源：近藤正敏副教授

聚变反应堆、快中子增殖反应堆和太阳能热电厂正在开发为对环境影响小且没有资源限制的发电厂。由于这些发电厂在高温下运行，传热量大，科学家们正在研究使用液态金属（具有出色的传热性能）作为冷却剂的组件。

液态金属毯（安装在堆芯中的金属壁）和液态金属分流器（接收热量并排出废气）是聚变反应堆最重要的部件之一，作为创新的能量转换装置而备受关注。然而，选择与高温液态金属化学相容的结构材料一直是一个挑战。

东京工业大学的近藤正敏副教授采用了液态金属冷却剂，并使用领先的结构材料对其耐化学腐蚀性进行了研究。他发现腐蚀的原因是金属部件从与液态金属接触的材料中浸出以及液态金属和钢铁材料的合金化。

他发现，通过在液态金属部件的结构材料表面形成致密的保护性氧化层，可以显着减少腐蚀。形成抑制这种腐蚀的稳定保护性氧化层是使液态金属基组件成为现实的关键。该研究发表在《表面与涂层技术》杂志上。

由近藤领导的联合研究小组与横滨国立大学和国立聚变科学研究所合作，重点关注氧化物分散增强（ODS）FeCrAl合金形成由致密结构组成的α-Al2O3（α氧化铝）层的事实，并确定了可以促进层生长的因素以及使层抵抗从基板上剥离的机制。

α-Al2O3层在高温液态金属环境中提供出色的保护。ODS Fe15Cr7Al合金具有优异的高温强度，是下一代发电厂的强潜力结构材料。

该合金可在1，000°C的空气中氧化10小时，形成α-Al2O3层。图1显示了在ODS Fe15Cr7Al合金上形成的α-Al2O3层及其组成元素分布的横截面显微镜图像。虽然它只有1.28微米厚，约为人类头发厚度的1/80，但它具有极其紧凑的结构，铝和氧分布均匀，如图1（b）所示。

同时，研究小组发现，在α-Al2O3层中形成了Ti、Y和Zr等活性元素的氧化物，如图1（c）所示。这是因为ODS Fe15Cr7Al合金在其微观结构中分散的反应元素作为微小的氧化物颗粒迁移到层中形成氧化物。

比较几种类型的FeCrAl合金形成的氧化层的微观组织和生长速率表明，没有活性元素的合金不会在层中形成这些氧化物，并且它们的层生长缓慢。这些反应性元素的细长氧化物充当“纯氧扩散路径”，促进层生长并改善阻隔性能（图2）。

图2 α-Al2O3层的结构及其功能。资料来源：Assocaite 教授近藤正敏

保护层必须具有抗去角质性。在这项研究中，该团队对ODS-FeCrAl合金上形成的α-Al2O3层进行了划痕测试，以测量用锋利的针划伤和剥离该层所需的力的大小。结果表明，ODS-FeCrAl合金具有优异的粘结性能。

α-Al2O3层抵抗剥落的机制总结在图2中。首先，从基材向层形成的活性元素的氧化物像用于固定帐篷的钉子一样紧紧抓住层的微观结构，并有助于提高粘合强度。这称为挂钩效应。

在α-Al2O3层和衬底之间形成了具有锯齿状结构的不稳定界面，如图3（a）所示，随着层的变厚，该锯齿状界面的深度加深。此外，如图3（b）所示，锯齿状界面越深，剥离α-Al2O3层所需的剪切应力越大，即层粘附强度越强。

图3 （a）α-Al2O3层生长与不稳定界面结构深度的关系，（b）分离α-Al2O3层所需的剪切应力。资料来源：近藤正敏副教授

在上述具有氧扩散路径的图案中，以适度不均匀的方式促进层生长，导致更深的锯齿界面和强烈的锚定效应。还有其他通过溶液形成氧化物和其他层的方法，但与这些方法相比，本研究中形成的层具有更强的附着力，并且可以承受结构紧凑的液态金属的流动。

紧凑、抗剥离阻隔技术的发展为延长液态金属部件（如液体毯和分流器）的使用寿命提供了广阔的前景。液态金属技术在聚变反应堆等先进发电厂以及海水淡化和环境清理技术中的实施预计将刺激碳中和社会的创建。

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原标题：《科学家对液态金属用于聚变反应堆冷却防护研究取得进展》

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