액체 주석에 의한 부식 완화는 핵융합로에서 더 나은 냉각으로 이어질 수 있습니다.

[아름이]

액체 주석에 의한 부식 완화는 핵융합로에서 더 나은 냉각으로 이어질 수 있습니다.
날짜:
2022년 12월 15일
원천:
도쿄공업대학
요약:
연구원들은 고온 액체 금속 주석(Sn)과 핵융합 반응기의 후보 구조 재료인 환원된 활성화 페라이트계 마르텐사이트 사이의 화학적 호환성을 명확히 했습니다. 이 발견은 핵융합 반응기의 고급 열 제거 구성 요소인 액체 금속 주석 다이버터의 개발을 위한 길을 열었습니다. 플라즈마의 순도를 유지하기 위해 핵융합 반응기에는 디버터(Divertor)라는 장치가 설치되어 있습니다. 다이버터의 경우 고온 플라즈마의 매우 큰 열 부하를 견딜 수 있는 액체 금속에 대한 요구가 있었습니다.

Tokyo Institute of Technology와 National Institute for Fusion Science의 연구원들은 핵융합로의 구조 재료 후보인 고온 액체 금속 주석(Sn)과 환원 활성화 페라이트계 마르텐사이트 사이의 화학적 적합성을 명확히 했습니다. 이 발견은 핵융합 반응기의 고급 열 제거 구성 요소인 액체 금속 주석 다이버터의 개발을 위한 길을 열었습니다. 플라즈마의 순도를 유지하기 위해 핵융합 반응기에는 디버터(Divertor)라는 장치가 설치되어 있습니다. 다이버터의 경우 고온 플라즈마의 매우 큰 열 부하를 견딜 수 있는 액체 금속에 대한 요구가 있었습니다.

배경

핵융합로는 무한한 해수 공급에서 연료를 추출할 수 있기 때문에 지속 가능한 탄소 제로 에너지의 한 형태로 전 세계적으로 활발히 개발되고 있습니다. 또한 온실가스를 배출하지 않습니다. 세계 주요 7개 국가 및 지역(일본, EU, 미국, 한국, 중국, 러시아, 인도)의 협력을 통해 건설 중인 토카막(ITER) 건설 외에도 민간 부문도 속도를 내고 있다.

이러한 핵융합 반응기에서 가장 중요한 구성 요소 중 하나는 플라즈마의 불순물을 가스화하고 가스를 배기 펌프로 보내는 구성 요소인 다이버터입니다. 핵융합로의 작동 중에 다이버터의 구조적 구성 요소 중 일부는 "우주 왕복선이 대기권에 진입할 때"와 같은 수준의 매우 큰 열 부하에 노출됩니다. 연구원들은 텅스텐과 같은 내열성 물질 블록을 플라즈마와 접촉시키고 고온 고압수로 냉각시키는 고체 다이버터를 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 이 고체 다이버터 시스템은 ITER 프로젝트와 프로토타입 핵융합로에서도 사용됩니다. 반대로 플라즈마의 큰 열부하를 견디는 혁신적인 메커니즘으로

주석(Sn)은 우리 일상생활에서 다양하게 사용되어 온 금속입니다. 예를 들어, 식기의 재료 및 땜납의 구성 요소로 사용됩니다. 주석은 융점이 232℃로 비교적 낮아 액체 상태로 사용하기에 적합하다. 주석의 또 다른 특성은 고온에서의 증기압이 다른 액체 금속보다 낮다는 것입니다. 액체금속주석을 핵융합로의 액체금속 전환기 구조재 표면을 덮어 보호하기 위한 냉각제로 사용하면 플라즈마로 가열해 고온에 도달해도 증발하기 어렵다. 또한 증발된 금속이 플라즈마와 혼합될 가능성이 적다는 장점도 있습니다. 그러나 구조 재료의 부식은 연구자들이 우려해 온 기술적인 문제입니다.

연구 결과

Kondo의 연구실은 다양한 구조 및 기능 재료와의 화학적 공존에 중점을 두었습니다. 연구실은 핵융합로 등 차세대 에너지 분야에서 주목받고 있는 액체금속 냉각제에 주목했다. 연구진은 고온에서 반응성이 높은 불편한 성질을 드러내는 액체 금속 주석에 주목했다. 그들은 핵융합로 구조 재료의 부식 메커니즘을 밝히고 내식성을 나타내는 재료를 발견하기 위해 노력했습니다.

1. 고온의 액체 금속 주석이란 무엇이며 강한 부식성을 일으키는 원인은 무엇입니까?

핵융합로의 1차 후보 구조재료인 환원활성화 페라이트 마르텐사이트(Fe-9Cr-2W-0.1C)는 페라이트 마르텐사이트 내열강의 조성을 기반으로 합니다. 환원 활성화 페라이트계 마르텐사이트계는 원자로의 중성자 조사 환경에서 사용한다고 가정하여 유도 방사능을 감소시키는 첨가 원소를 사용합니다. 활성화가 감소된 페라이트 마르텐사이트 강이 액체 금속 주석과 접촉하면 부식이 시작되기 전 잠복기가 매우 짧습니다. 연구원들은 강철이 고온의 주석과 반응하여 재료를 부식시키면서 금속간 화합물(FeSn 2, 등) 주석에. 철을 포함하는 것 외에도 활성화가 감소된 페라이트 마르텐사이트 강은 주석과 쉽게 반응하지 않는 크롬 및 텅스텐과 같은 원소를 포함합니다. 따라서 강철은 순철보다 부식률이 낮습니다. 그러나 500°C에서 10일이 지나면 강철은 약 155마이크로미터 두께의 금속간 화합물을 형성하고 부식됩니다. 이 수치를 1년으로 추정하면 두께가 밀리미터 수준에 도달할 수 있으며 이는 매우 큰 부식 속도입니다. 600°C에서 연구원들은 부식으로 인한 얇아짐이 훨씬 더 심해진다는 것을 발견했습니다. 이때, 연구진은 주석이 강철의 미세 조직으로 내부 확산되어 부식이 진행된다는 것도 발견했다.

연구팀을 이끈 도쿄 공업 대학의 곤도 마사토시 부교수는 "액체 금속 주석은 다양한 특성을 가진 우수한 냉각제이지만 구조 재료를 부식시키는 결점이 있다. 부식 메커니즘을 해명함으로써 , 융합 에너지뿐만 아니라 태양열 발전소에도 액체 금속 주석의 사용을 촉진하기를 희망합니다."

2. 고온에서 고온 액체 금속 주석을 견딜 수 있는 재료는 무엇입니까?

연구원들은 강철/철 기반 구조 재료가 고온의 액체 금속 주석에 노출될 때 금속간 화합물을 형성하면서 외부와 내부로 부식된다는 것을 발견했습니다. 강철의 주성분인 철이 고온의 액상 주석과 반응하기 때문이다. 따라서 연구진은 반응 전에 철과 산소를 ​​미리 결합시켜 산화물을 형성함으로써 고온 주석과의 반응을 막을 수 있을 것이라는 이론을 세웠다. 이 이론을 추구하면서 연구원들은 산화철(Fe 2 O 3 )과 산화크롬(Cr 2 O 3 )을 테스트했습니다.) 500°C에서 액체 주석과의 호환성. 산화철 소결체를 침지시키면 소성 시 생긴 기공에 주석이 부분적으로 침투하였다. 그러나 재료 표면에서 주석과의 반응 구조의 두께는 약 1마이크로미터였다. 이것은 활성화가 감소된 페라이트계 강철의 약 1%에 불과한 매우 얇은 반응이었습니다. 또한 산화크롬의 소결체를 살펴보면 표면에서 주석과의 반응구조가 매우 얇다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 연구진은 주석과 쉽게 반응하는 철과 같은 금속 원소도 산소와의 사전 반응으로 산화물을 형성함으로써 상당히 억제될 수 있음을 발견했다.

미국 과업 3에서 일본 연구팀의 연구를 이끌고 있는 곤도 교수는 “융합로 내 액체 주석 전환기의 작동 환경은 액체 주석에 의한 부식과 핵융합 중성자 조사가 중첩되는 극도로 가혹한 조건에 있다”고 설명했다. -일본 과학 기술 협력 프로그램: FRONTIER 프로젝트). "이 프로젝트에서 우리는 액체 주석과 강철의 부식 반응 역학에 대한 방사선의 영향을 조사하기 위해 미국 Oak Ridge 국립 연구소의 프로젝트 팀원과 협력하고 있습니다. "라고 그는 덧붙였습니다.

이 논문에서 논의된 발견은 상대적으로 부식성이 강한 액체 금속 주석의 부식 원인과 메커니즘을 명확히 했습니다. 본 연구는 고신뢰성 첨단 핵융합로용 수열장치 개발을 지원함으로써 탄소중립사회 달성에 크게 기여할 것입니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/