Un team multidisciplinare di scienziati ha utilizzato la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE) situata presso il Brookhaven National Laboratory del DOE, per studiare come i sali fusi ad alta temperatura corrodono le leghe metalliche. Il gruppo ha trovato un nuovo approccio per l'utilizzo di sali fusi per creare materiali metallici porosi con reti microscopiche di vuoti e legamenti metallici, che potrebbero avere applicazioni in svariati campi, come l'accumulo di energia e il rilevamento. Il loro lavoro supporta anche lo sviluppo di reattori a sali fusi (MSR), una tecnologia che potrebbe produrre in modo più sicuro, più economico, e nucleare più sostenibile dal punto di vista ambientale.

I sali fusi sono uno dei principali candidati come mezzo per il trasferimento di calore ad alta temperatura in una varietà di applicazioni, comprese le centrali nucleari di nuova generazione e le centrali solari a concentrazione. Hanno diverse caratteristiche che li rendono desiderabili, come alti punti di ebollizione, calori specifici elevati, alta conducibilità termica, e basse pressioni di vapore. Però, una delle sfide dei sali fusi è la loro corrosività quando entrano in contatto con le leghe.

Negli MSR, il sale fuso contiene il combustibile nucleare in forma disciolta e serve anche come fluido di scambio termico primario, operando a 500–900°C (circa 930–1650°F). Uno dei passaggi chiave verso lo sviluppo di MSR è acquisire una solida comprensione della chimica dei sali fusi e di come interagiscono con i materiali strutturali in un reattore ad alte temperature, con i loro effetti corrosivi come obiettivo principale. Questo lavoro aiuta a raggiungere tale obiettivo fornendo informazioni sulla deallocazione del sale fuso, un processo mediante il quale determinati elementi all'interno di una lega metallica vengono preferibilmente lisciviati nel sale fuso durante la corrosione. È il primo studio che esplora l'uso della natura corrosiva dei sali fusi per trattare e creare appositamente strutture porose.

La ricerca, che è descritto in un articolo pubblicato il 9 giugno, 2021 in Comunicazioni sulla natura , i risultati di una collaborazione tra NSLS-II e il Brookhaven Molten Salts in Extreme Environments Energy Frontier Research Center (MSEE EFRC). Gli EFRC sono stati istituiti dall'Office of Basic Energy Sciences del DOE per riunire grandi team per affrontare sfide di ricerca fondamentali complicate e interdisciplinari per il progresso delle tecnologie energetiche. Il team MSEE su questo lavoro includeva membri della Stony Brook University, Divisione di chimica di Brookhaven, e l'Oak Ridge National Laboratory.

"La missione di MSEE è fornire la scienza fondamentale del sale fuso necessaria per abilitare la tecnologia MSR, " ha affermato il direttore di MSEE e uno degli autori del documento, Il chimico di Brookhaven James Wishart.

Il lavoro è stato svolto su due linee di luce NSLS-II, la linea di luce Full-Field X-Ray Imaging (FXI) e la linea di luce per la misurazione dei materiali (BMM).

"La linea di luce FXI presenta una tecnica di imaging chiamata nanotomografia a raggi X 3D, che produce una serie temporale di visualizzazioni 3D, essenzialmente un film 3D, della struttura interna di un campione con una risoluzione di decine di nanometri, " ha detto lo scienziato capo della linea di luce FXI, Wah-Keat Lee, che è anche autore. "Altre strutture hanno strumenti simili, ma FXI può produrre immagini 20 volte più velocemente. Questo è ciò che rende questa linea di luce così utile per studi come questo".

Sia FXI che BMM forniscono un'altra tecnica chiamata spettroscopia XANES (Near-Edge Structure) di assorbimento dei raggi X, che viene utilizzato per fornire informazioni sullo stato di ossidazione e sulla struttura locale degli elementi di lega durante la reazione di deallocazione. I risultati sperimentali sono stati poi integrati da modelli e simulazioni computazionali.

Per essere in grado di visualizzare la corrosione dei sali fusi ad alta temperatura, lo staff della linea di luce FXI, ingegneri NSLS-II, e il team di ricerca MSEE ha sviluppato congiuntamente uno speciale riscaldatore in miniatura che consente misurazioni in tempo reale mentre i materiali si evolvono a condizioni fino a 1000 °C. Questo è stato di per sé un risultato importante, documentato in un recente documento, pubblicato nel Journal of Synchrotron Radiation.

Il team ha utilizzato il sistema di riscaldamento FXI per risolvere nel tempo l'evoluzione morfologica di un filo in lega di nichel-cromo (80% Ni / 20% Cr) in una miscela fusa 50-50 di cloruro di potassio e cloruro di magnesio a 800 °C. Col passare del tempo, il cromo è stato lisciviato dal filo per corrosione e il nichel rimanente è stato ristrutturato in una rete porosa. Questa è la prima volta che i ricercatori hanno osservato il cambiamento della struttura 3D di un materiale che subisce il processo di deallocazione mentre sta avvenendo.

"Abbiamo visto il cambio del campione davanti ai nostri occhi e siamo stati in grado di registrare un video di ogni singolo passaggio, il che è notevole, ", ha dichiarato Xiaoyang Liu, candidato al dottorato di ricerca di Stony Brook, uno dei primi autori congiunti dell'articolo.

Il team ha osservato che il processo di deallocazione inizia prima all'interfaccia tra la lega e il sale e si propaga fino al centro della lega, creando la rete dei pori. Man mano che il cromo viene ulteriormente dilavato nel sale fuso, i pori e le cavità si ingrandiscono (il che viene chiamato "ingrossamento") a causa della diffusione degli atomi di Ni sulla superficie della lega.

La morfologia tridimensionale del materiale formatosi in questo studio è classificata come "bicontinua, " il che significa che entrambe le fasi - la lega e la rete di pori creata dalla corrosione del sale - sono continue e ininterrotte. I materiali bicontinui porosi sono di grande interesse per i ricercatori a causa del loro peso ridotto, grandi superfici, capacità di trasporto di massa di fluidi attraverso i pori, e conducibilità elettrica o termica attraverso la matrice del materiale. Leghe metalliche bicontinue, soprattutto quelli con dimensioni dei pori fini, hanno numerose potenziali applicazioni in diversi campi, compreso lo stoccaggio di energia, rilevamento, e catalisi.

Storicamente sono stati impiegati diversi metodi per creare questi materiali molto ricercati, compresa l'incisione con acido dell'elemento più facilmente corroso, o dissoluzione selettiva in metallo liquido. Però, l'approccio del sale fuso, che non è stato precedentemente esplorato, opera con meccanismi diversi e segue regole diverse che possono fornire un maggiore grado di controllo sia dei processi di lisciviazione che di ristrutturazione, potenzialmente con conseguente materiali superiori. Questo grado di controllo è possibile perché le capacità di imaging della linea di luce FXI consentono ai ricercatori di quantificare le velocità dei processi di deallocazione e sgrossatura quando cambiano parametri come la temperatura e la composizione della lega e del sale.

"La linea di luce FXI è stata assolutamente fondamentale per questo lavoro, ", ha detto lo studente di dottorato di Stony Brook Arthur Ronne, l'altro primo autore congiunto e autore corrispondente. "La sua risoluzione temporale, con la capacità di osservare il cambiamento della struttura sulla scala dei minuti con un'eccellente risoluzione spaziale su scala nanometrica, insieme alla fornace che abbiamo costruito insieme, reso possibile questo studio».

Questo lavoro, e la sua continua estensione agli effetti della temperatura e della composizione di sale e leghe, è molto importante per la progettazione di sistemi di reattori a sali fusi durevoli, che abbracciano un intervallo di temperature in cui è possibile prevedere che i meccanismi di corrosione da parte di questi processi varino in luoghi diversi, e dipendono anche dal contenuto del sale combustibile. Il team utilizzerà la linea di luce FXI e altre tecniche avanzate per ottenere le informazioni meccanicistiche necessarie per consentire tali previsioni. Così facendo, otterranno informazioni chiave per guidare la preparazione deliberata di materiali in lega bicontinua con morfologie e proprietà specifiche per un'ampia gamma di applicazioni.

"Dietro questo lavoro c'è una moltitudine di incredibili scienziati e ingegneri, " ha detto l'autore corrispondente Karen Chen-Wiegart, un assistente professore al College of Engineering and Applied Sciences di Stony Brook che ha un incarico congiunto presso NSLS-II. "È stato solo attraverso la partnership di un grande centro di ricerca come MSEE e una struttura di livello mondiale come NSLS-II che siamo stati in grado di fare questo passo. Siamo davvero solo all'inizio di un meraviglioso viaggio per esplorare ulteriormente il complesso e ma affascinanti interazioni tra i materiali e i sali fusi utilizzando tecniche avanzate di sincrotrone".