アメリカのペンシルベニア州立大学の科学者たちは、なぜ先進的な原子炉で「腐食の高速道路」が発生するのか、またその構造金属の原子配列を調整することで腐食の速度と程度にどのように影響を与えるかを発見しました。各国がエネルギー需要を満たしつつ、炭素排出を削減しようとする中で、原子力は重要な復活を迎えています。従来の核分裂炉では、ウラン燃料棒が大型の水槽に浸されています。核分裂反応が発生すると、大量の熱エネルギーが生成され、この熱は水によって吸収され、燃料棒を冷却します。同時に、吸収された熱は水を蒸気に変え、タービンを回して発電します。
新設計の核分裂炉では、冷却剤と燃料として融解塩が使用され、水槽で燃料棒を包む必要がなくなり、燃料と核廃棄物が反応器容器内で循環することが可能になり、炉の効率と安全性が向上します。しかし、研究者たちはこれらの炉に腐食の問題があることに気付きました。
腐食の高速道路
融解塩炉の腐食問題が安全性に影響
従来の核分裂炉と比較して、融解塩炉は運転温度が高く、内部の温度は1,500華氏度（約800摂氏度）に達します。これらの温度では、融解塩は化学的に安定ですが、反応器容器を構築するために使用される金属を腐食させ始め、重大な安全リスクをもたらします。科学者たちはこの点に気付き、2024年の以前の研究では、化学モデルを使用して腐食の原因を理解しようとしました。この研究では、研究者のHamdy ArkoubがFLiNaK塩を使用し、反応器建設に用いられるニッケルクロム合金ニクロムとの相互作用を理解しようとしました。
Arkoubはプレスリリースで次のように説明しています。「これらの炉の高温と放射線により、腐食がどのように始まり、広がるかを実験的に研究することが困難です。私たちの作業は、モデル化とシミュレーションを使用してこれらの空白を埋めることを目指しています。」このモデルは、チームが詳細なシミュレーションを構築し、さまざまな機械的ストレスと金属表面の向きの変化において、クロムがFLiNaK塩と接触した際にどのように腐食するかを研究するのに役立ちました。
原子配列の役割
金属の微視的構造が腐食に与える影響
研究の中で、研究者たちは、単一のサンプルのニクロムの腐食度が、同じ化学成分を持つ他の合金よりもはるかに高いことに気付きました。これは最初、機械的ストレスに起因すると考えられましたが、Arkoubと彼のチームは金属の微視的構造も影響を与えているかどうかを確認したいと考えました。ニクロム内では、クロム原子が原子配列の過程によって散らばり、この過程が原子の動きや浸透を決定します。この現象は短距離または長距離で現れることがありますが、研究チームはそのメカニズムを理解していませんでした。ペンシルベニア州立大学のROARスーパーコンピュータを利用して、チームは融解塩との間の腐食シミュレーションをいくつか作成しました。
シミュレーションの深さは、スーパーコンピュータが1秒間の腐食反応を処理するのに必要な全日数に反映されています。これらのシミュレーションを通じて、研究チームは、短距離のランダム構造と比較して、長距離の原子配列が腐食プロセスに「高速道路」を作成することを発見しました。「この新たな認識を利用して、私たちは高長さスケールモデルを構築し、融解塩中の特定の合金材料の挙動の進化をリアルタイムで観察できるようにしようとしています」とArkoubは付け加え、最終的にはより安全な融解塩炉容器の構築につながるとしています。この研究結果は『腐食科学』ジャーナルに発表されました。