控制一维虫洞腐蚀有助于推进发电厂设计

它始于一个谜团：熔盐是如何破坏其金属容器的?了解熔盐(一种用于下一代核反应堆和聚变能的冷却剂)的行为是先进能源生产的关键安全问题。

由宾夕法尼亚州立大学共同领导的多机构研究小组最初对密封容器的横截面进行了成像，发现外面出现的盐没有明确的路径。然后，研究人员使用电子断层扫描(一种3D成像技术)来揭示连接固体容器两侧的最微小的连接通道。这一发现只会给调查这种奇怪现象的团队带来更多问题。

“腐蚀是一种普遍存在的材料失效模式，传统上是在三维或二维中测量的，但这些理论不足以解释这种情况下的现象，”共同通讯作者，工程科学和力学助理教授杨扬说。他还隶属于劳伦斯伯克利国家实验室的国家电子显微镜中心以及宾夕法尼亚州立大学的材料研究所。“我们发现这种穿透性腐蚀是如此局部，它只存在于一个维度上 - 就像虫洞一样。

与假设的天体物理现象不同，地球上的虫洞通常被蠕虫和甲虫等昆虫所钻孔。他们挖地，木头或水果，在挖掘一个看不见的迷宫时留下一个洞。蠕虫可能会通过新孔返回表面。从表面上看，蠕虫似乎在空间和时间的某个点消失，然后在另一个点重新出现。电子断层扫描可以在微观尺度上揭示熔盐路线的隐藏隧道，其形态看起来与虫洞非常相似。

为了探究熔盐如何“挖掘”金属，杨和团队开发了新的工具和分析方法。根据Yang的说法，他们的发现不仅揭示了腐蚀形态的新机制，而且还指出了有意设计这种结构以实现更先进材料的潜力。

“由于各种材料缺陷和独特的局部环境，腐蚀通常会在特定部位加速，但对局部腐蚀的检测，预测和理解极具挑战性，”共同通讯作者，加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室材料科学与工程教授Andrew M. Minor说。

研究小组假设虫洞的形成与材料中空位的特殊集中有关 - 去除原子产生的空位。为了证明这一点，该团队将4D扫描透射电子显微镜与理论计算相结合，以确定材料中的空位。总之，这使得研究人员能够在纳米尺度上绘制材料原子排列中的空位。杨说，由此产生的分辨率比传统检测方法高10，000倍。

“材料并不完美，”共同通讯作者，麻省理工学院(MIT)核科学与工程副教授Michael Short说。“它们有空位，随着材料被加热、辐照或在我们的例子中经历腐蚀，空位浓度会增加。典型的空位浓度远低于熔盐引起的空位浓度，熔盐聚集并作为虫洞的前体。

熔盐除了核反应堆冷却剂外，还可以用作材料合成、回收溶剂等的反应介质，在腐蚀过程中选择性地从材料中去除原子，在金属中沿着二维缺陷形成一维虫洞，称为晶界。研究人员发现，熔盐以独特的方式填充了各种金属合金的空隙。

“只有在我们知道盐是如何渗透的之后，我们才能有意识地控制或使用它，”麻省理工学院博士后共同第一作者Weiyue Zhou说。“这对于许多先进工程系统的安全至关重要。

现在，研究人员更好地了解了熔盐如何穿越特定金属 - 以及它如何根据盐和金属类型而变化 - 他们说他们希望应用该物理学来更好地预测材料的失效并设计出更耐用的材料。

“下一步，我们希望了解这个过程如何随着时间的变化而演变，以及我们如何通过仿真捕捉这种现象，以帮助理解机制，”共同作者，宾夕法尼亚州立大学核工程助理教授Mia Jin说。“一旦建模和实验可以齐头并进，学习如何制造新材料来抑制这种不需要的现象并以其他方式利用它可能会更有效。

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