Las sales fundidas del «reloj» de los investigadores tallan pequeños recovecos y túneles en aleaciones de metales en 3D.

Un equipo multidisciplinario de científicos utilizó National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Ubicada en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, para investigar cómo se funden las sales en las aleaciones metálicas corroídas a alta temperatura. El grupo ha encontrado un nuevo enfoque para usar sales fundidas para crear materiales metálicos porosos con redes microscópicas de huecos y ligamentos metálicos, que pueden 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 energía nuclear más segura, más barata y ambientalmente sostenible.

Las sales fundidas son un candidato principal como medio para la transferencia de calor a alta temperatura en una variedad de aplicaciones, incluidas las plantas de energía solar concentrada y nuclear de próxima generación. Tienen varias características que las hacen deseables, como altos puntos de ebullición, altos calores específicos, altas conductividades térmicas y bajas presiones de vapor. Sin embargo, uno de los desafíos de sales fundidas es su corrosividad cuando entran en contacto con aleaciones.

En MSR, el elenco sal contiene combustible nuclear en forma disuelta y también sirve como fluido de transferencia de calor primario, operando a 500–900 ° C (aproximadamente 930–1650 ° F). Uno de los pasos clave en el desarrollo de MSR es obtener una comprensión 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 el foco principal. Este artículo ayuda a lograr este objetivo al proporcionar información sobre la desafililación de sales fundidas, un proceso mediante el cual ciertos elementos dentro de una aleación de metal se lixivian preferentemente en sal fundida durante la corrosión. Es el primer estudio que explora el uso de la naturaleza corrosiva de las sales fundidas para desalojar 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 el NSLS-II y el Energy Frontier Research Center in Extreme Environments (MSEE EFRC), dirigido por Molten Salts in Extreme Environments. Los EFRC fueron establecidos por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE para reunir grandes equipos para abordar desafíos de investigación fundamentales complejos 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, la 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 campo completo de imágenes de rayos X (FXI) y la línea de luz de 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 vistas en 3D, esencialmente una película en 3D, de la estructura interna de una muestra con una resolución de decenas de nanómetros», dijo el jefe de la línea de luz de FXI. científico, Wah-Keat Lee, que también es autor. «Otras instalaciones tienen instrumentos similares, pero el FXI puede producir imágenes 20 veces más rápido. Eso 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 absorción de rayos X de estructura cercana al borde (XANES), que se utiliza para proporcionar información sobre el estado de oxidación y la estructura local de los elementos de aleación durante la reacción de desequilibrio. Los resultados experimentales se complementaron con modelado y simulación por computadora.

Para poder obtener imágenes de la corrosión por sales fundidas a alta temperatura, el equipo de la línea de luz FXI, los ingenieros de NSLS-II y el equipo de investigación de MSEE han desarrollado 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, documentado en un artículo reciente publicado en el 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 800 de cloruro de magnesio ° C.Con 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 el cambio en la estructura 3D de un material que atraviesa el proceso de desalojo mientras ocurre.

«Vimos el cambio de la muestra justo ante nuestros ojos y pudimos hacer un video de cada paso, lo cual es notable», dijo Stony Brook, candidato al doctorado Xiaoyang Liu, uno de los primeros coautores del artículo.

El equipo señaló que el proceso de desalimentación comienza primero en la interfaz entre la aleación y la sal y se propaga al centro de la aleación, creando la red de poros. A medida que el cromo se lixivia más en la sal fundida, los poros y las cavidades se hacen más grandes (esto se denomina «espesamiento») como resultado de la difusión de átomos de Ni sobre la superficie de la aleación.

La morfología tridimensional del material formado en este estudio se clasifica como «bicontinua», es decir, ambas fases, la aleación y la red de poros creada por la corrosión salina, son continuas e ininterrumpidas. Los materiales porosos bicontinuos son de gran interés para los investigadores debido a su peso reducido, grandes áreas superficiales, capacidad de transporte de masa de fluidos a través de los poros y conductividad eléctrica o térmica a través de la matriz del material. bicontinuo aleaciones metálicas, especialmente aquellos con tamaños de poros finos, tienen numerosas aplicaciones potenciales en varios campos, incluido el almacenamiento, la detección y la catálisis de energía.

Históricamente, se han empleado varios métodos para crear estos materiales tan buscados, incluido el ataque con ácido del elemento que se corroe más fácilmente o la disolución selectiva en metal líquido. Sin embargo, el enfoque de sales fundidas, que no ha sido explorado previamente, opera por diferentes mecanismos y sigue diferentes reglas que pueden proporcionar un mayor grado de control sobre los procesos de lixiviación y reestructuración, lo que potencialmente resulta 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 desequilibrio y espesamiento 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 el estudiante de doctorado de Stony Brook Arthur Ronne, el otro primer autor conjunto y coautor correspondiente. «Su resolución en el tiempo, con la capacidad de observar el cambio de estructura a una escala de minutos a una excelente resolución espacial a nanoescala, junto con el horno que construimos juntos, hicieron posible este estudio».

Este trabajo, y su extensión continua sobre los efectos de la temperatura y la composición de sales y aleaciones, es muy importante para el diseño de sistemas de reactores de sales fundidas duraderos que cubren un rango de temperatura donde los mecanismos de corrosión por estos procesos pueden variar en diferentes lugares, y también dependen del contenido de 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 importante para guiar 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 asombrosos», dijo la autora correspondiente Karen Chen-Wiegart, profesora asistente en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Stony Brook que tiene una posición conjunta con el NSLS-II. “Fue solo a través de la asociación de un gran centro de investigación como el MSEE y una instalación de clase mundial como el NSLS-II que pudimos dar este paso y, sin embargo, las fascinantes interacciones entre los materiales y las sales fundidas utilizando un sincrotrón avanzado técnicas «.