研究人员开发熔盐堆材料腐蚀预测模型

Igunma

美国核学会成员Thompson Odion Igunma是佛罗里达大学材料科学与工程专业的博士候选人，他与Idaho美国国家实验室的计算力学与材料组合作进行研究。他的工作侧重于熔盐腐蚀、辐照和合金微观结构变化之间复杂相互作用的先进建模。

“我认为熔盐堆是下一代核能的关键组成部分，”Igunma说。“它们独特的安全性、效率和燃料灵活性相结合，使其成为低碳能源组合中补充可再生能源的理想选择。”

他补充道：“在我看来，核能的未来将由先进设计塑造——包括熔盐堆、钠冷快堆和小型模块化反应堆——所有这些都建立在材料科学与工程创新的基础上。我自己的贡献，通过腐蚀的先进计算建模，是这一宏大愿景的一部分。通过填补材料和核工程的关键空白，这项工作有助于确保熔盐堆中的结构合金在数十年的运行中可靠地工作。”

从这个意义上说，Igunma解释说：“核能的未来不仅取决于前瞻性的设计，还取决于严谨的预测性科学，这为决策者、行业和公众提供了部署信心。”

Igunma的职业生涯始于尼日利亚，2010年他在位于Ekpoma市的Ambrose Alli大学获得机械工程学士学位。随后，他在GZ Manufacturing Industries和Guinness Nigeria积累了十多年的制造工程工业经验，包括担任领导职务。他说，这段经历使他能够“有效地将计算建模与实际工程实践联系起来”。

接下来，Igunma来到美国，在佛罗里达大学攻读高等教育，于2024年获得材料科学与工程硕士学位，专注于计算建模和极端环境。他目前正在完成博士学位，并在佛罗里达大学担任研究助理。

Igunma对先进核反应堆工程的兴趣源于他对材料工程和计算材料的兴趣。他说：“作为一名计算材料工程的研究人员，我被理解结构合金如何与熔盐相互作用的技术复杂性所吸引，同时还涉及辐照和应力等其他现象。这些不仅仅是学术问题，因为它们直接影响下一代反应堆的可靠性和寿命。熔盐堆为材料设计、腐蚀建模和多物理场仿真领域的创新提供了肥沃的土壤——我的工作重点是在这些领域推进预测性相场方法。”

他也被熔盐堆所吸引，因为它们代表了核技术的范式转变，提供了固有安全特性，如低运行压力和非能动衰变热排出，这降低了与事故相关的风险。“它们的高温运行能力还提高了热效率，并实现了更广泛的应用，例如制氢和工业用工艺热，”他补充道，同时强调了它们对可持续性的贡献。熔盐堆可以使用钍或后处理核废料作为燃料，有助于闭合核燃料循环并减少长寿命放射性废物。“在全球脱碳的背景下，它们提供了可靠、低碳的基荷能源，补充了可再生能源，”他说。

从左至右：Daniel Schwen、Chaitanya Bhave和Parikshit Bajpai，Idaho美国国家实验室计算力学与材料组的研究人员。（照片：INL）

Igunma的研究由能源部通过核能先进建模与仿真计划资助，并通过佛罗里达大学-Idaho美国国家实验室合作进行。在Idaho美国国家实验室，Igunma与计算力学与材料组的杰出物理学家Daniel Schwen密切合作，还与同组的计算科学家Chaitanya Bhave和Parikshit Bajpai合作。他们共同开发了快速傅里叶变换CALPHAD-informed模型的第一阶段，用于模拟铁-镍-铬三元合金在熔盐环境中的腐蚀。CALPHAD是用于预测相图和热力学性质的计算框架。

Igunma解释说：“基于FFT的框架代表了一项重大进步，因为它能够以高计算效率模拟非常大的微观结构域。这为在腐蚀和辐照条件下真实模拟合金退化提供了途径——这是传统小域模型无法实现的。与Idaho美国国家实验室如此杰出的科学家合作是非常宝贵的，因为它将Idaho美国国家实验室在计算力学方面的专业知识与我在腐蚀建模方面的重点结合起来，确保我们的工作直接应对下一代熔盐堆面临的关键材料挑战。”

更广泛地说，他补充道，FFT方法“实现了预测建模的突破。它允许我们通过数值求解控制方程来测试新合金、辐射效应或盐化学的性能，提供指导实验的见解，并加速开发更安全、更耐用的下一代核反应堆材料。这是先进材料计算如何推动实际工程进展的一个明显例子。”

这项工作是NEAMS Yellow Jacket项目的一部分，该项目侧重于理解和预测材料在极端条件下暴露于熔盐时如何退化。据Igunma介绍，Yellow Jacket涉及四个主要组成部分。第一个是多尺度/多物理场建模，涉及“在介观尺度上运行，以明确表示结构材料的微观结构——例如，晶粒、晶界或孔隙，”他说。“这使得建模能够捕获微观结构特征在与熔盐接触时如何加速或影响腐蚀和材料损耗。”

另一个组成部分涉及与其他软件代码的耦合。

说明吉布斯能量最小化器在模拟熔盐化学和预测腐蚀相关条件中的作用的示意图。GEM通过应用自由能最小化的基本热力学原理来计算最稳定的化学构型。（图片：Igunma）

第三个组成部分与吉布斯能量最小化器和热化学平衡计算方法有关。“为了驱动其建模，Yellow Jacket使用热化学框架来计算机化学势、相平衡和腐蚀驱动力——例如，揭示哪些元素倾向于浸出到盐中以及空洞在哪里形成，”Igunma解释说。“这一组成部分允许更好地与热力学数据库集成，如熔盐热力学数据库。”

第四个组成部分涉及实验验证。“该项目不仅仅是理论或仿真，”Igunma说。“它结合了实验数据来验证模型预测。这对于面向盐的结构材料尤其相关，例如……在熔盐条件下承受应力或辐照的不锈钢。”