核輻射對材料的影響大多都是負面的，例如脆化，加速蠕變，相不穩定性，加速腐蝕。這些往往限制了核電的安全性。例如，在現行的商業反應堆里，水作為冷卻劑，會腐蝕堆里的金屬結構材料，導致材料性能和壽命的衰減。而堆內的輻照往往會加劇腐蝕的速度。

來自美國麻省理工學院（MIT）和勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）的研究人員，展示了質子輻照在一定條件下可以減緩熔鹽導致的晶界腐蝕的實驗結果，與之前人們關于“輻照總會加劇材料腐蝕”的認知相反。相關論文以題為“Proton irradiation-decelerated intergranular corrosion of Ni-Cralloys in molten salt” 近期發表在Nature Communications雜志上。該結果對于提高熔鹽堆（新型反應堆之一，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

研究人員通過在同一個鎳鉻合金樣品的局部引入質子輻照的對比實驗（圖1a），觀測到在沒有質子輻照的部分，熔鹽腐蝕的空洞已經穿透了薄膜樣品（圖1的f，i，l）。而在有質子輻照的部分，基本上沒有觀測到熔鹽腐蝕對樣品的穿透（圖1的d，g，j）。這導致了在樣品的背面（遠離熔鹽的一側，即圖a樣品左側），研究人員觀察到一個沒有被熔鹽腐蝕穿透的圓形區域（圖1的e，h，k）， 其恰好和質子輻射光斑的位置重合。

圖1:（a）實驗裝置示意圖（側視圖）：樣品的左邊與高能質子槍連接，右邊與熔鹽接觸。樣品的中間的一個圓形區域會受到質子轟擊，因此會受到熔鹽腐蝕和質子輻照的雙重影響。周圍的圓環區域則只被腐蝕影響。（b）質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）光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡下拍攝的腐蝕過后的樣品表面（靠近質子輻照一側，即圖a中樣品左側）。d-f，g-i，j-l分別對應不同的質子輻照流強：2.5μA/cm2，2 μA/cm2，1.5 μA/cm2

圖2: 研究人員對材料橫截面進行了大面積的掃描電鏡表征以及統計分析，進一步證實了質子輻照減緩腐蝕深度的結論。

輻照一般被認為會改變熔鹽的化學性質，增加熔鹽腐蝕性。研究人員在單質鐵上重復了相同的實驗，發現質子輻照會加劇熔鹽腐蝕，與在鎳鉻合金中的情況相反。研究人員通過人工智能的算法分析了腐蝕后純鐵表面晶界腐蝕的區域的分布，發現該區域比質子光斑的區域略大（見圖3）。這說明了在單質鐵的體系里，質子和腐蝕的相互作用主要體現在質子輻照導致熔鹽的腐蝕性增強。由于熔鹽的可流動性，實際看到的加劇腐蝕的區域會比質子輻照的區域略大。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象與“質子輻照-熔鹽”的相互作用無關，而與“質子輻照-金屬”的相互作用有關。

圖3。（a）樣品區域示意圖。（b）對應a中的方框區域的掃描電鏡圖。（c）樣品的邊緣的掃描電鏡圖顯示沒有晶界腐蝕。（d）樣品中間的區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域標記為紅色。白色虛線圓圈包含了有質子輻照的區域。

研究人員進一步提出了腐蝕被質子輻照減慢的機理。由于鎳鉻合金中的鉻元素與熔鹽的反應產物更穩定，因此在腐蝕的過程中，鉻元素會優先被腐蝕。在腐蝕過程中，鉻元素會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導致晶界內孔洞的形成。在質子輻照下，材料中產生了大量的間隙原子。這些間隙原子，會填充晶界中因為鉻流失后產生的空位。通過加速這個填充過程，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理。

最后，研究人員討論了中子輻照對熔鹽腐蝕可能的影響。如果這種減緩腐蝕的效應對中子也適用，那么該機制對于實際應用將具有重要的意義。