Une équipe multidisciplinaire de scientifiques a utilisé la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation d'utilisateurs du bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) située dans le laboratoire national de Brookhaven du DOE, pour étudier comment les sels fondus à haute température corrodent les alliages métalliques. Le groupe a trouvé une nouvelle approche pour utiliser des sels fondus pour créer des matériaux métalliques poreux avec des réseaux microscopiques de vides et de ligaments métalliques, qui pourraient avoir des applications dans divers domaines, comme le stockage et la détection d'énergie. Leurs travaux soutiennent également le développement de réacteurs à sels fondus (MSR), une technologie qui pourrait produire plus sûr, moins cher, et une énergie nucléaire plus respectueuse de l'environnement.

Les sels fondus sont l'un des principaux candidats comme moyen de transfert de chaleur à haute température dans une variété d'applications, y compris les centrales nucléaires et solaires à concentration de nouvelle génération. Ils ont plusieurs caractéristiques qui les rendent désirables, tels que des points d'ébullition élevés, chaleurs spécifiques élevées, conductivités thermiques élevées, et de faibles pressions de vapeur. Cependant, l'un des enjeux des sels fondus est leur corrosivité au contact des alliages.

Dans les MSR, le sel fondu contient le combustible nucléaire sous forme dissoute et sert également de fluide caloporteur primaire, fonctionnant à 500–900°C (environ 930–1650°F). L'une des étapes clés du développement des MSR est d'acquérir une solide compréhension de la chimie des sels fondus et de la façon dont ils interagissent avec les matériaux de structure dans un réacteur à haute température, avec leurs effets corrosifs étant un objectif principal. Ce travail permet d'atteindre cet objectif en fournissant un aperçu du désalliage du sel fondu, un processus par lequel certains éléments au sein d'un alliage métallique sont préférentiellement lessivés dans le sel fondu pendant la corrosion. Il s'agit de la première étude qui explore l'utilisation de la nature corrosive des sels fondus pour désallier et créer délibérément des structures poreuses.

La recherche, qui est décrit dans un article publié le 9 juin 2021 en Communication Nature , résulte d'une collaboration entre le NSLS-II et le Centre de recherche sur la frontière énergétique de Brookhaven dirigé par Brookhaven (MSEE EFRC). Les EFRC ont été créés par le Bureau des sciences fondamentales de l'énergie du DOE pour rassembler de grandes équipes afin de relever des défis de recherche fondamentale complexes et interdisciplinaires pour l'avancement des technologies énergétiques. L'équipe MSEE sur ce travail comprenait des membres de l'Université Stony Brook, Division de chimie de Brookhaven, et le Laboratoire national d'Oak Ridge.

"La mission de MSEE est de fournir la science fondamentale du sel fondu nécessaire pour permettre la technologie MSR, " a déclaré le directeur du MSEE et l'un des auteurs de l'article, Le chimiste de Brookhaven James Wishart.

Le travail a été effectué sur deux lignes de lumière NSLS-II, la ligne de faisceau d'imagerie à rayons X plein champ (FXI) et la ligne de faisceau pour la mesure des matériaux (BMM).

"La ligne de lumière FXI dispose d'une technique d'imagerie appelée nanotomographie à rayons X 3D, qui produit une série temporelle de visualisations 3D - essentiellement un film 3D - de la structure interne d'un échantillon avec une résolution de dizaines de nanomètres, " a déclaré le scientifique principal de la ligne de lumière FXI, Wah-Keat Lee, qui est aussi auteur. « D'autres établissements disposent d'instruments similaires, mais FXI peut produire des images 20 fois plus rapidement. C'est ce qui rend cette ligne de lumière si utile pour des études comme celle-ci."

Le FXI et le BMM fournissent tous deux une autre technique appelée spectroscopie XANES (Absorption Near-Edge Structure), qui est utilisé pour fournir des informations sur l'état d'oxydation et la structure locale des éléments d'alliage au cours de la réaction de désalliage. Les résultats expérimentaux ont ensuite été complétés par une modélisation informatique et une simulation.

Pour pouvoir imager la corrosion des sels fondus à haute température, le personnel de la ligne de lumière FXI, ingénieurs NSLS-II, et l'équipe de recherche MSEE ont développé conjointement un radiateur miniature spécial qui permet des mesures en temps réel alors que les matériaux évoluent dans des conditions allant jusqu'à 1000 °C. Il s'agit d'une réalisation majeure en soi qui a été documentée dans un article récent, publié dans le Journal of Synchrotron Radiation.

L'équipe a utilisé le système de chauffage FXI pour résoudre dans le temps l'évolution morphologique d'un fil en alliage nickel-chrome (80 % Ni / 20 % Cr) dans un mélange fondu 50-50 de chlorure de potassium et de chlorure de magnésium à 800 °C. Au fur et à mesure que le temps passait, le chrome a été lessivé du fil par corrosion et le nickel restant s'est restructuré en un réseau poreux. C'est la première fois que des chercheurs observent la structure 3D changeante d'un matériau soumis au processus de désalliage au fur et à mesure qu'il se produit.

"Nous avons vu l'échantillon changer sous nos yeux et avons pu filmer chaque étape, ce qui est remarquable, " a déclaré Xiaoyang Liu, candidate au doctorat de Stony Brook, l'un des premiers auteurs conjoints de l'article.

L'équipe a observé que le processus de désalliage commence d'abord à l'interface entre l'alliage et le sel et se propage jusqu'au centre de l'alliage, créer le réseau de pores. Au fur et à mesure que le chrome est lessivé dans le sel fondu, les pores et les cavités s'agrandissent (ce que l'on appelle « grossissement ») du fait de la diffusion d'atomes de Ni à la surface de l'alliage.

La morphologie tridimensionnelle du matériau formé dans cette étude est classée comme "bicontinue, " ce qui signifie que les deux phases - l'alliage et le réseau de pores créés par la corrosion saline - sont continues et ininterrompues. Les matériaux poreux bicontinus sont d'un grand intérêt pour les chercheurs en raison de leur poids réduit, grandes surfaces, capacité de transport de masse de fluides à travers les pores, et la conductivité électrique ou thermique à travers la matrice de matériau. Alliages métalliques bicontinus, en particulier ceux avec des tailles de pores fines, ont de nombreuses applications potentielles dans plusieurs domaines, y compris le stockage d'énergie, sentir, et catalyse.

Plusieurs méthodes ont historiquement été employées pour créer ces matériaux très recherchés, y compris la gravure à l'acide de l'élément le plus facilement corrodé, ou dissolution sélective dans le métal liquide. Cependant, l'approche du sel fondu, qui n'a pas été exploré auparavant, fonctionne selon des mécanismes différents et suit des règles différentes qui peuvent fournir un degré plus élevé de contrôle des processus de lixiviation et de restructuration, potentiellement aboutir à des matériaux de qualité supérieure. Ce degré de contrôle est possible car les capacités d'imagerie de la ligne de lumière FXI permettent aux chercheurs de quantifier les taux des processus de désalliage et de grossissement lorsqu'ils modifient des paramètres tels que la température et la composition de l'alliage et du sel.

"La ligne de lumière FXI était absolument essentielle à ce travail, " a déclaré Arthur Ronne, étudiant au doctorat à Stony Brook, l'autre co-premier auteur et co-auteur correspondant. "Sa résolution temporelle, avec la possibilité de regarder la structure changer à l'échelle de la minute avec une excellente résolution spatiale à l'échelle nanométrique, avec le four que nous avons construit ensemble, rendu cette étude possible."

Ce travail, et son extension continue aux effets de la température et de la composition du sel et de l'alliage, est très important pour la conception de systèmes de réacteurs à sels fondus durables, qui couvrent une gamme de températures où les mécanismes de corrosion par ces processus pourraient varier selon les emplacements, et dépendent également de la teneur en sel de carburant. L'équipe utilisera la ligne de lumière FXI et d'autres techniques avancées pour obtenir les informations mécaniques nécessaires pour permettre de telles prédictions. Ce faisant, ils obtiendront des informations clés pour guider la préparation délibérée de matériaux d'alliage bicontinu avec des morphologies et des propriétés spécifiques pour un large éventail d'applications.

"Derrière ce travail se cache une multitude de scientifiques et d'ingénieurs incroyables, " a déclaré l'auteur correspondant Karen Chen-Wiegart, professeur adjoint au Collège d'ingénierie et de sciences appliquées de Stony Brook, titulaire d'un poste conjoint à la NSLS-II. "Ce n'est que grâce au partenariat d'un grand centre de recherche comme MSEE et d'une installation de classe mondiale comme NSLS-II que nous avons pu franchir cette étape. Nous ne sommes vraiment qu'au début d'un merveilleux voyage pour explorer davantage le complexe et interactions encore fascinantes entre les matériaux et les sels fondus à l'aide de techniques synchrotron avancées."