과학자들은 새로운 부식 메커니즘을 식별합니다
1차원 웜홀 부식을 제어하면 발전소 설계를 발전시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
날짜:
2023년 2월 23일
원천:
펜 스테이트
요약:
미스터리로 시작했습니다. 녹은 소금이 어떻게 금속 용기를 뚫었습니까? 차세대 원자로 및 핵융합 발전을 위해 제안된 냉각제인 용융 염의 거동을 이해하는 것은 첨단 에너지 생산을 위한 중요한 안전 문제입니다. Penn State가 공동으로 이끄는 다기관 연구팀은 처음에 밀봉된 용기의 단면을 이미지화했지만 외부에 나타나는 소금에 대한 명확한 경로를 찾지 못했습니다. 그런 다음 연구원들은 3D 이미징 기술인 전자 단층 촬영을 사용하여 고체 용기의 양면을 연결하는 가장 작은 연결된 통로를 밝혀냈습니다. 그 발견은 이상한 현상을 조사하는 팀에게 더 많은 질문으로 이어졌습니다.
전체 이야기
미스터리로 시작했습니다. 녹은 소금이 어떻게 금속 용기를 뚫었습니까? 차세대 원자로 및 핵융합 발전을 위해 제안된 냉각제인 용융 염의 거동을 이해하는 것은 첨단 에너지 생산을 위한 중요한 안전 문제입니다. Penn State가 공동으로 이끄는 다기관 연구팀은 처음에 밀봉된 용기의 단면을 이미지화했지만 외부에 나타나는 소금에 대한 명확한 경로를 찾지 못했습니다. 그런 다음 연구원들은 3D 이미징 기술인 전자 단층 촬영을 사용하여 고체 용기의 양면을 연결하는 가장 작은 연결된 통로를 밝혀냈습니다. 그 발견은 이상한 현상을 조사하는 팀에게 더 많은 질문으로 이어졌습니다.
그들은 2월 22일 Nature Communications 에 답변을 게재했습니다 .
공동교신저자인 Yang Yang 공학과학 및 역학 조교수는 “재료의 유비쿼터스 고장 모드인 부식은 전통적으로 3차원 또는 2차원으로 측정되지만, 이러한 이론은 이 경우 현상을 설명하기에 충분하지 않았다”고 말했다. Penn State의 원자력 공학. 그는 또한 Lawrence Berkeley National Laboratory의 National Center for Electron Microscopy와 Penn State의 Materials Research Institute에 소속되어 있습니다. "우리는 이 관통 부식이 너무 국지적이어서 웜홀과 같은 한 차원에만 존재한다는 것을 발견했습니다."
가상의 천체물리학적 현상과 달리 지구상의 웜홀은 일반적으로 벌레와 딱정벌레 같은 곤충이 구멍을 뚫습니다. 그들은 보이지 않는 미로를 파면서 땅, 나무 또는 과일을 파고 하나의 구멍을 남겨 둡니다. 벌레는 새로운 구멍을 통해 표면으로 돌아올 수 있습니다. 표면에서 벌레는 시공간의 한 지점에서 사라졌다가 다른 지점에서 다시 나타나는 것처럼 보입니다. 전자 단층 촬영은 형태가 웜홀과 매우 유사한 용융염 경로의 숨겨진 터널을 미세한 규모로 밝힐 수 있습니다.
녹은 소금이 어떻게 금속을 뚫고 들어가는지 조사하기 위해 Yang과 팀은 새로운 도구와 분석 접근 방식을 개발했습니다. Yang에 따르면 그들의 발견은 부식 형태의 새로운 메커니즘을 밝힐 뿐만 아니라 더 진보된 재료를 가능하게 하기 위해 그러한 구조를 의도적으로 설계할 수 있는 잠재력을 지적합니다.
"부식은 종종 다양한 재료 결함과 뚜렷한 국부적 환경으로 인해 특정 현장에서 가속화되지만 국부적 부식의 감지, 예측 및 이해는 매우 어렵습니다."라고 공동 교신 저자인 Andrew M. Minor 재료 과학 및 공학 교수는 말했습니다. 캘리포니아 버클리 대학과 로렌스 버클리 국립 연구소.
연구팀은 웜홀 형성이 재료에서 공극(원자를 제거한 결과로 생긴 빈 자리)의 예외적인 집중과 관련이 있다는 가설을 세웠습니다. 이를 증명하기 위해 팀은 4D 스캐닝 투과 전자 현미경과 이론적 계산을 결합하여 재료의 공석을 식별했습니다. 이를 통해 연구원들은 나노미터 규모에서 재료의 원자 배열에서 공석을 매핑할 수 있었습니다. 결과 해상도는 기존의 감지 방법보다 10,000배 더 높다고 Yang은 말했습니다.
MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 핵과학 및 공학 부교수인 마이클 쇼트(Michael Short) 공동교신저자는 "재료가 완벽하지 않다"고 말했다. "공극이 있고 공극 농도는 재료가 가열되거나 조사되거나 우리의 경우 부식을 겪으면서 증가합니다. 일반적인 공극 농도는 용융 염에 의해 발생하는 것보다 훨씬 적습니다. 벌레 구멍."
용융염은 원자로 냉각수 외에 재료 합성, 재활용 용매 등의 반응 매질로 사용할 수 있으며 부식 시 재료에서 원자를 선택적으로 제거하여 입자 경계라고 하는 2D 결함을 따라 1D 웜홀을 형성합니다. 금속. 연구원들은 용융염이 독특한 방식으로 다양한 금속 합금의 공극을 채웠다는 것을 발견했습니다.
"소금이 어떻게 침투하는지 알게 된 후에야 의도적으로 제어하거나 사용할 수 있습니다. "이것은 많은 고급 엔지니어링 시스템의 안전에 매우 중요합니다."
연구원들은 용융염이 특정 금속을 어떻게 횡단하는지, 그리고 염과 금속 유형에 따라 어떻게 변화하는지 더 잘 이해했기 때문에 재료의 파손을 더 잘 예측하고 더 저항력이 있는 재료를 설계하기 위해 이 물리학을 적용하기를 희망한다고 말했습니다.
"다음 단계로 우리는 이 프로세스가 시간의 함수로 어떻게 진화하는지 이해하고 메커니즘을 이해하는 데 도움이 되는 시뮬레이션으로 현상을 포착하는 방법을 이해하고자 합니다. . "모델링과 실험이 함께 진행될 수 있게 되면 원하지 않을 때 이 현상을 억제하고 그렇지 않으면 활용하기 위해 새로운 재료를 만드는 방법을 배우는 것이 더 효율적일 수 있습니다."
다른 기여자는 공동 저자인 Jim Ciston, MC Scott, Sheng Yin, Qin Yu, Robert O. Ritchie 및 Mark Asta, Lawrence Berkeley National Laboratory; 공저자 Mingda Li 및 Ju Li, MIT; Sarah Y. Wang, Ya-Qian Zhang, Steven E. Zeltmann, University of California, Berkeley; Matthew J. Olszta 및 Daniel K. Schreiber, 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소; 버지니아 대학교의 John R. Scully. Minor, Scott, Ritchie 및 Asta는 University of California, Berkeley에도 소속되어 있습니다.
이 작업은 주로 에너지부, 과학부, 기초 에너지 과학실에서 자금을 지원하는 에너지 프론티어 연구 센터인 FUTURE(원자로 극한 상태에서의 수송에 대한 기본적 이해)의 지원을 받았습니다.
출처 : https://www.sciencedaily.com/