周宜欣 / 國家原子能科技研究院；陳鵬仁 / 國立勤益科技大學智慧自動化工程；
顏溪成 / 國立臺灣大學化學工程學系
核能反應爐運行處於高溫、腐蝕性冷卻劑及高能粒子流強烈撞擊等綜合效應下，及其金屬結構材料暴露於輻照環境中，限制當前輕水反應爐(LWRs)長期運行。熔鹽反應爐(MSRs)藉由熔鹽作為高溫常壓冷卻劑，能有效提升熱交換效率與運行安全性，被視為前瞻性核能應用技術。然而熔鹽材料在輻射環境下，將導致微觀結構變化，例如核反應爐結構材料之鎳基合金於材料晶界(GBs)易發生鉻選擇性溶解腐蝕，須透過模擬計算預測材料劣化進程。本文彙整相關核工業材料，得知質子輻射可減緩鎳鉻合金於熔鹽腐蝕。研究指出，輻照鎳鉻合金樣品於熔鹽環境，腐蝕非集中於材料晶界，表面腐蝕裂縫較淺且分布廣泛，有助於降低材料失效風險。
【內文精選】
核反應爐合金材料之腐蝕防範
2. 輻照改善金屬腐蝕現象
核工業鎳鉻合金搭配氟化物熔鹽，主要腐蝕機制為鉻選擇性溶解於熔鹽，優先發生在晶界處，導致原子淨損失，形成局部化空隙。輻照鎳鉻合金核工業樣品之腐蝕狀況如圖三，推估腐蝕易發生於材料結構最弱的部分，即為金屬內含晶粒邊界；然而熔鹽暴露於質子束照射，腐蝕廣泛分布於表面，此類裂縫更淺，不易造致關鍵元件破裂。根據此觀察，Short教授提出輻照減緩腐蝕機制，如圖四所示，認為金屬本由個別晶粒(Crystal Grain)組成，且其中原子排列有序，而晶粒交界處，GBs原子排列相較略為參差不齊，熔鹽可進一步滲透侵入GBs；當核電廠合金組件遭受輻射，熔鹽將從晶粒內部抽取金屬材料，經長時間運行進展，整體晶粒表面持續流失更多材料，並非如同腐蝕空隙集中於GBs，此形成裂縫更淺且分布更廣，施用於核反應爐合金，將更不容易失效。
圖三、輻照鎳鉻合金核工業樣品之腐蝕狀況
然而「輻照促進體相擴散→自我修復」效應並非在所有條件下皆能穩定出現，其結果高度依賴於多重因素，例如：材料組成若含有鉻、鐵、鉬等不同元素，其晶粒間原子遷移速率將有所差異；腐蝕環境中熔鹽的純度、氧含量與流動速率，亦會改變腐蝕主導機制；同時輻照強度若過低，難以有效驅動擴散作用，若過高則可能引發額外的晶格缺陷累積而加速劣化。因此輻照引發之「自我修復」僅在合適的材料組成、腐蝕環境控制以及最佳化輻照條件下，才能發揮正面效果---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖四、輻射減緩腐蝕之材料擴散機制示意圖。(a)鎳鉻合金於熔鹽腐蝕過程；(b)質子輻照影響鎳鉻合金於熔鹽腐蝕過程
★本文節錄自《工業材料雜誌》467期，更多資料請見下方附檔。