核輻射對(duì)材料的影響大多都是負(fù)面的，例如脆化，加速蠕變，相不穩(wěn)定性，加速腐蝕。這些往往限制了核電的安全性。例如，在現(xiàn)行的商業(yè)反應(yīng)堆里，水作為冷卻劑，會(huì)腐蝕堆里的金屬結(jié)構(gòu)材料，導(dǎo)致材料性能和壽命的衰減。而堆內(nèi)的輻照往往會(huì)加劇腐蝕的速度。

來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）的研究人員，展示了質(zhì)子輻照在一定條件下可以減緩熔鹽導(dǎo)致的晶界腐蝕的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與之前人們關(guān)于“輻照總會(huì)加劇材料腐蝕”的認(rèn)知相反。相關(guān)論文以題為“Proton irradiation-decelerated intergranular corrosion of Ni-Cralloys in molten salt” 近期發(fā)表在Nature Communications雜志上。該結(jié)果對(duì)于提高熔鹽堆（新型反應(yīng)堆之一，使用了熔化的氟化鹽作為冷卻劑）的安全性具有一定的意義。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-17244-y

研究人員通過(guò)在同一個(gè)鎳鉻合金樣品的局部引入質(zhì)子輻照的對(duì)比實(shí)驗(yàn)（圖1a），觀測(cè)到在沒(méi)有質(zhì)子輻照的部分，熔鹽腐蝕的空洞已經(jīng)穿透了薄膜樣品（圖1的f，i，l）。而在有質(zhì)子輻照的部分，基本上沒(méi)有觀測(cè)到熔鹽腐蝕對(duì)樣品的穿透（圖1的d，g，j）。這導(dǎo)致了在樣品的背面（遠(yuǎn)離熔鹽的一側(cè)，即圖a樣品左側(cè)），研究人員觀察到一個(gè)沒(méi)有被熔鹽腐蝕穿透的圓形區(qū)域（圖1的e，h，k）， 其恰好和質(zhì)子輻射光斑的位置重合。

圖1:（a）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖（側(cè)視圖）：樣品的左邊與高能質(zhì)子槍連接，右邊與熔鹽接觸。樣品的中間的一個(gè)圓形區(qū)域會(huì)受到質(zhì)子轟擊，因此會(huì)受到熔鹽腐蝕和質(zhì)子輻照的雙重影響。周?chē)膱A環(huán)區(qū)域則只被腐蝕影響。（b）質(zhì)子注入的離子以及其造成的空位的濃度沿著深度方向的分布。（c）圖a中樣品的正視圖。（d-l）光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡下拍攝的腐蝕過(guò)后的樣品表面（靠近質(zhì)子輻照一側(cè)，即圖a中樣品左側(cè)）。d-f，g-i，j-l分別對(duì)應(yīng)不同的質(zhì)子輻照流強(qiáng)：2.5μA/cm2，2 μA/cm2，1.5 μA/cm2

圖2: 研究人員對(duì)材料橫截面進(jìn)行了大面積的掃描電鏡表征以及統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)一步證實(shí)了質(zhì)子輻照減緩腐蝕深度的結(jié)論。

輻照一般被認(rèn)為會(huì)改變?nèi)埯}的化學(xué)性質(zhì)，增加熔鹽腐蝕性。研究人員在單質(zhì)鐵上重復(fù)了相同的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子輻照會(huì)加劇熔鹽腐蝕，與在鎳鉻合金中的情況相反。研究人員通過(guò)人工智能的算法分析了腐蝕后純鐵表面晶界腐蝕的區(qū)域的分布，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域比質(zhì)子光斑的區(qū)域略大（見(jiàn)圖3）。這說(shuō)明了在單質(zhì)鐵的體系里，質(zhì)子和腐蝕的相互作用主要體現(xiàn)在質(zhì)子輻照導(dǎo)致熔鹽的腐蝕性增強(qiáng)。由于熔鹽的可流動(dòng)性，實(shí)際看到的加劇腐蝕的區(qū)域會(huì)比質(zhì)子輻照的區(qū)域略大。由此，研究人員推斷：在鎳鉻合金中觀察到的輻照減慢腐蝕現(xiàn)象與“質(zhì)子輻照-熔鹽”的相互作用無(wú)關(guān)，而與“質(zhì)子輻照-金屬”的相互作用有關(guān)。

圖3。（a）樣品區(qū)域示意圖。（b）對(duì)應(yīng)a中的方框區(qū)域的掃描電鏡圖。（c）樣品的邊緣的掃描電鏡圖顯示沒(méi)有晶界腐蝕。（d）樣品中間的區(qū)域的掃描電鏡圖顯示了晶界腐蝕。（e）用人工智能算法分析a圖后，研究人員將晶界腐蝕的區(qū)域標(biāo)記為紅色。白色虛線圓圈包含了有質(zhì)子輻照的區(qū)域。

研究人員進(jìn)一步提出了腐蝕被質(zhì)子輻照減慢的機(jī)理。由于鎳鉻合金中的鉻元素與熔鹽的反應(yīng)產(chǎn)物更穩(wěn)定，因此在腐蝕的過(guò)程中，鉻元素會(huì)優(yōu)先被腐蝕。在腐蝕過(guò)程中，鉻元素會(huì)沿著晶界流向熔鹽所在的地方。晶界中的鉻元素的大量流失會(huì)導(dǎo)致晶界內(nèi)孔洞的形成。在質(zhì)子輻照下，材料中產(chǎn)生了大量的間隙原子。這些間隙原子，會(huì)填充晶界中因?yàn)殂t流失后產(chǎn)生的空位。通過(guò)加速這個(gè)填充過(guò)程，輻照減慢了空位在晶界的聚集速率，從而減緩了晶界空洞的形成（圖4）。

圖4.輻照減緩鎳鉻合金在熔鹽中的晶界腐蝕的機(jī)理。

最后，研究人員討論了中子輻照對(duì)熔鹽腐蝕可能的影響。如果這種減緩腐蝕的效應(yīng)對(duì)中子也適用，那么該機(jī)制對(duì)于實(shí)際應(yīng)用將具有重要的意義。