密西根大學破解熔鹽反應爐密封難題：2,300小時實驗證實石墨套筒耐高溫腐蝕

突破性實驗驗證核能密封件耐久性

密西根大學（University of Michigan）核工程與放射科學系研究團隊近日完成一項全球罕見的超長期實驗計畫。研究人員在自行建造的「軸封測試設施」（Shaft Seal Test Facility）中，耗時2,300小時對商用石墨套筒密封件進行驗證，成功證明該密封件在熔鹽反應爐（Molten Salt Reactor，MSR）的極端運作條件下具備優異的耐久性能。

核工程與放射科學教授孫曉東（Xiaodong Sun）指出，泵浦與密封件的可靠性對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。

近乎實際的苛刻測試環境

熔鹽反應爐相比傳統水冷式反應爐具有高效率優勢，且在較低的壓力下運作。然而其致命弱點在於，反應爐內的熔融氟化鹽具有極強的腐蝕性，容易產生氟化氫等有毒氣體洩漏，因此對密封件的可靠性要求極為苛刻。

為精準模擬熔鹽反應爐的實際運作環境，研究團隊設計了一套創新的測試系統。該系統由兩個以管道相連的不鏽鋼儲槽組成，下方儲槽存放32公斤的FLiNaK鹽（由氟化鋰、氟化鈉與氟化鉀混合而成），並透過差壓機制將其推送至上方主槽，模擬放射性爐心的實際運作條件。

FLiNaK鹽的化學行為特性與放射性爐心所用鹽高度相似，但不具實際輻射危害，是進行此類實驗的理想模擬介質。在測試腔體內，連接電動馬達的轉軸由商用石墨套筒密封件保護。整套裝置在高溫鹽蒸氣環境、1,500 RPM轉速的苛刻條件下，對密封件進行長期耐久性評估，並比較不同惰性覆蓋氣體的表現差異。

令人矚目的實驗成果

在歷時2,300小時的FLiNaK鹽測試中，研究團隊在測試完成後進行拆解檢驗，未發現任何明顯的密封件腐蝕或性能劣化現象。商用軸封在約10天的初期磨合期後即趨於穩定運作——在磨合期間，摩擦力逐漸在密封面產生微觀間隙，使內部壓力達到平衡狀態。

研究結果同時表明，操作溫度與轉軸轉速對密封件性能的影響微乎其微，整體表現相當穩定。特別值得關注的是，覆蓋氣體的選擇對密封效果影響重大。在相同流量條件下，氬氣能維持最高的槽內壓力，性能明顯優於氦氣與氮氣，成為首選的覆蓋氣體方案。

填補全球核能研究空白

此項實驗的科學價值在於填補了長期阻礙熔鹽反應爐商業化規模擴大的重大知識缺口。涉及熔鹽材料的長時間實驗在全球範圍內極為罕見。這類材料具有高揮發性且操作難度極大，全球能夠成功進行超過10公斤高溫氟化鹽、持續逾100小時實驗的專業設施，目前不足10處。

本研究主要作者、密西根大學核工程與放射科學博士畢業生車帥（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、優化與規模化提供明確指引。

該發現的發佈時機恰逢其時。全球第四代（Gen-IV）先進熔鹽反應爐正逐步從實驗室走向商業示範階段，其中最受關注的是目前正在美國田納西州橡樹嶺（Oak Ridge, Tennessee）興建中的大規模示範反應爐項目。密西根大學的研究成果為國際產業開發商提供了經過驗證的工程設計框架，加速了商業化進程。

這些研究數據涵蓋徑向間隙、氣體選擇等多項關鍵工程參數，已正式發表於國際學術期刊《Progress in Nuclear Energy》，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參考指南。