美国佛罗里达大学材料科学与工程专业博士研究生Thompson Odion Igunma与Idaho美国国家实验室的计算力学与材料研究组合作开展研究，对熔盐腐蚀、辐照以及合金微观结构变化之间复杂相互作用进行建模和分析。

Igunma的研究由美国能源部（DOE）核能先进建模与仿真（NEAMS）计划资助，并通过佛罗里达大学与Idaho美国国家实验室（INL）的合作进行。在INL，Igunma与计算力学与材料研究组的物理学家Daniel Schwen，以及同组的计算科学研究员Chaitanya Bhave和Parikshit Bajpai紧密合作。他们共同开发了基于快速傅里叶变换（FFT）的相图与热化学计算机耦合（CALPHAD）引导模型的第一阶段，用于模拟铁-镍-铬三元合金在熔盐环境中的腐蚀。CALPHAD是一种用于预测相图和热力学性质的计算框架。

Igunma解释道，基于FFT的框架是一项重大进步，因为它能够以极高的计算效率仿真超大型微结构域。这为在腐蚀和辐照条件下真实模拟合金退化提供了一条途径，这是传统小域模型无法实现的。与INL科研人员的合作具有不可估量的价值，因为它将INL在计算力学方面的专业知识与我在腐蚀建模方面的研究重点相结合，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。

他补充道，更广泛而言，FFT方法实现了预测建模的突破。它使我们能够通过数值求解其控制方程，来测试新型合金的性能、辐照效应或盐化学性质，从而指导实验开展，并加速为下一代核反应堆开发更安全、更耐用的材料。这是一个清晰的例证，展示了先进材料计算如何推动现实世界的工程进步。

该工作是NEAMS Yellow Jacket项目的一部分，该项目专注于理解和预测材料在极端条件下暴露于熔盐时的退化行为。据Igunma介绍，Yellow Jacket项目包含四个主要方面。首先是多尺度/多物理场建模，涉及在介观尺度上运行，以明确表征结构材料的微观结构，例如晶粒、晶界或孔隙。这使得建模能够捕捉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。

第二个方面涉及与其他软件程序的耦合。

第三个方面涉及吉布斯自由能最小化器（GEM）和热化学平衡计算方法。Igunma表示，为驱动其建模过程，Yellow Jacket使用了热化学框架（一个GEM）来计算化学势、相平衡和腐蚀驱动力，例如揭示了哪些元素倾向于浸出到盐中以及在何处形成孔隙。该方面可以更好地与热力学数据库集成，例如熔盐热力学数据库。

第四个方面涉及实验验证。Igunma表示，该项目不仅仅是理论或仿真，它整合了实验数据来验证模型预测。这对于面向熔盐的结构材料尤其重要，例如在熔盐条件下承受应力或辐照的不锈钢。

据Igunma介绍，Yellow Jacket项目研究的目标是提升熔盐堆（MSR）以及相关先进反应堆设计中腐蚀与材料退化的预测能力，从而为反应堆的设计、材料选择、维护计划和安全裕量提供依据。

MOOSE框架

Igunma模拟熔盐堆中辐照和腐蚀效应的相场模型，依赖于INL的MOOSE（多物理场面向对象模拟环境）计算框架。该框架专为求解多物理场问题而设计，其中多个过程或物理事件同时相互作用。在此项研究中，化学反应、扩散、机械应力、辐射效应和传热均同时运行，MOOSE提供了可扩展的高性能计算基础设施，使得耦合这些复杂的物理问题并高效求解成为可能。

据Igunma表示，在MOOSE框架内集成先进相场模型将增强对MSR等下一代核反应堆的信心。

全球仅有少数研究人员使用MOOSE作为计算建模方法来研究熔盐堆中结构合金的腐蚀与辐照行为。熔盐堆使结构合金暴露于极为严苛的条件中，因为腐蚀性熔盐与高通量高能辐照共同作用。通过实验研究这些复合效应不仅成本高昂，且研究范围受限，因为这需要专用设施和在极端条件下进行长期试验。因此，大多数研究团队选择分别研究腐蚀或辐照效应，避免同时模拟两者带来的额外复杂性。

Igunma表示，他正在开发一种计算相场框架，能够直接或同时耦合腐蚀与辐照效应。据目前所知，尚无其他研究团队尝试将这两种现象整合到单一预测模型中。这一点至关重要，因为辐射从根本上改变了材料的退化方式。它产生缺陷、增强原子输运并加速晶界弱化。而腐蚀过程又会与这些辐射诱导的变化相互作用。若将这些过程分开处理，将难以揭示熔盐堆中驱动材料失效的真实机制。

通过揭示腐蚀与辐照的实际协同效应，Igunma的研究提供了熔盐堆在其他研究中不存在的见解。其研究成果可提供一种预测反应堆合金在数十年运行中性能的实用工具，直接支持更安全、更高效、更持久的核能系统。

这种集成方法在学术界、工业界和政府机构等核材料领域的多个部门中具有应用价值。Igunma表示，对于学术界而言，这种首创的耦合模型为多尺度理论实验创造了新机遇，并为学生提供了学习先进计算方法的培训机会。对于工业界，该方法提供了一个虚拟实验室，用于筛选合金、预测退化位置/时间线，并在建造昂贵的原型之前降低材料选择风险，从而缩短了熔盐堆部件的设计周期。对于政府机构和国家实验室，研究成果正在提供基于科学的证据，为许可审批、安全裕度和长期可靠性提供依据，这既符合清洁能源部署目标，又减少了对缓慢、昂贵的高温辐照试验活动的依赖。