2,300小時罕見實驗證實石墨密封件可承受熔鹽反應爐高溫考驗

密西根大學（University of Michigan，U-M）研究團隊日前成功完成一項極為罕見的2,300小時實驗，在模擬熔鹽反應爐（Molten Salt Reactor，MSR）的操作條件下，對商用軸封進行全面測試。

研究人員利用自行建造的「軸封測試設施」（Shaft Seal Test Facility），對一款圓周形石墨套筒密封件進行驗證。測試結果顯示，該軸封約需10天的磨合期方能穩定運作，且搭配氬氣使用時性能表現最佳。

密西根大學核工程與放射科學教授孫曉東（Xiaodong Sun）表示：「泵浦與密封件的可靠性能，對於熔鹽反應爐技術的安全部署至關重要。本研究在接近實際操作條件下提供了寶貴的實驗數據，有助於填補未來反應爐設計的重要知識缺口。」

卓越的耐久性表現

熔鹽反應爐效率極高，且在比傳統水冷式反應爐更低的壓力下運作。然而，這類反應爐需要高可靠性的密封件，以防止腐蝕性極強的鹽蒸氣及有毒氣體（如氟化氫）外洩。

為模擬熔鹽反應爐的操作環境，研究人員建造了一套客製化設施，內含兩個以管道相連的不鏽鋼儲槽。系統利用下方儲槽存放32公斤的FLiNaK鹽，再透過差壓將其推送至上方主槽，以模擬放射性爐心的運作條件。

FLiNaK為氟化鋰、氟化鈉與氟化鉀的混合鹽，其行為特性與放射性爐心用鹽高度相似，但不具實際輻射危害，是理想的模擬介質。

在測試腔體內，連接電動馬達的轉軸由一款市售石墨套筒密封件保護。整套裝置在鹽蒸氣、高溫及1,500 RPM的轉速條件下，測試密封件的耐久性，並針對不同惰性覆蓋氣體進行比較實驗。

在歷時2,300小時的FLiNaK鹽測試中，軸封測試設施於測後檢驗時，未發現明顯的密封件腐蝕或劣化情形。商用密封件在約10天的磨合期後趨於穩定——磨合期間，摩擦力產生微觀間隙，使內部壓力達到平衡。

測試結果同時顯示，操作溫度與轉軸轉速對性能影響甚微。值得注意的是，覆蓋氣體的選擇至關重要：氬氣在相同流量下能維持最高的槽內壓力，性能優於氦氣與氮氣。

為未來反應爐設計奠基

此項實驗有助於填補長期阻礙反應爐擴大規模的重大知識缺口。

涉及熔鹽的長時間實驗極為罕見。這類材料極具揮發性且難以操作，全球能夠成功進行超過10公斤高溫氟化鹽、持續逾100小時實驗的設施，目前不足10處。

密西根大學核工程與放射科學博士畢業生、本研究主要作者車帥（Shuai Che）表示：「這些成果有助於將一個研究不足的泵浦元件，轉化為可量化的工程問題，並為未來熔鹽反應爐及其他先進能源系統的密封件設計、優化與規模化提供指引。」

此一發現的時機恰到好處。第四代（Gen-IV）先進熔鹽反應爐正逐步崛起，其中包括目前正在田納西州橡樹嶺（Oak Ridge, Tennessee）興建中的高知名度示範反應爐。因此，密西根大學的研究成果為產業開發商提供了立即可用的實作框架。

這些研究數據涵蓋徑向間隙與氣體選擇等工程參數，未來可作為次世代高效率熔鹽反應爐設計、優化與規模化的實務指南。

相關研究已發表於學術期刊《Progress in Nuclear Energy》。

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