石墨辐照行为新发现助力核能寿命预测
摘要
MIT研究人员发现石墨孔隙大小与其在辐照下的体积变化行为存在关联，有助于更准确预测核反应堆中石墨材料的寿命。石墨作为中子慢化剂在核能领域具有广泛应用，但其辐照下的行为复杂且难以预测。研究通过X射线散射技术分析辐照石墨样品的孔隙变化，发现孔隙尺寸分布与体积变化密切相关，为石墨的退化机制提供了新见解。
如今，麻省理工学院（MIT）的研究人员及其合作者揭示了石墨特性与其在辐射响应中的行为之间的关联。这一发现可能为全球反应堆中使用的石墨材料寿命预测提供更准确且破坏性更小的方式。
"我们开展了基础科学研究，以理解是什么导致了石墨结构的膨胀和最终的失效，"MIT研究科学家、新研究的资深作者鲍里斯·哈伊科维奇表示，"虽然需要更多研究才能将其付诸实践，但论文为行业提出了一个诱人的想法：你可能不需要破坏数百个辐照样品来理解它们的失效点。"
具体而言，这项研究表明，石墨内部孔隙的大小与其体积膨胀和收缩行为之间存在关联，从而导致材料退化。
"核石墨的寿命受到辐照诱导膨胀的限制，"共同作者、MIT研究科学家兰斯·斯尼德指出，"孔隙率是这种膨胀的控制因素。尽管自曼哈顿计划以来，石墨一直在核应用中受到广泛研究，但对于孔隙率在机械性能和膨胀中的作用，我们仍缺乏清晰的理解。这项研究解决了这一问题。"
这篇开源论文本周发表在《跨学科材料》（Interdisciplinary Materials）上。合作者包括哈伊科维奇、斯尼德、MIT研究科学家肖恩·费法、前MIT研究员杜尔盖什·拉伊、石溪大学助理教授大卫·斯普罗斯特、Oak Ridge国家实验室科学家安妮·坎贝尔以及阿贡国家实验室物理学家扬·伊拉夫斯基。
如今，石墨是许多运行中的核反应堆的关键组成部分，并有望在熔盐堆和高温气冷堆等下一代反应堆设计中发挥核心作用。这是因为石墨是一种良好的中子慢化剂，可以减缓核裂变释放的中子，使其更可能引发进一步的裂变并维持链式反应。
"石墨的简单性使其具有重要价值，"哈伊科维奇解释说，"它由碳构成，而且我们知道如何清洁地制造它。石墨是一项非常成熟的技术。它简单、稳定，我们知道它是可行的。"
但石墨也有其复杂性。
"尽管石墨仅由碳原子构成，但我们称其为复合材料，"哈伊科维奇说，"它包括结晶度较高的‘填料颗粒’，以及结晶度较低的‘粘结剂’基质，还有从纳米到数十微米不等的孔隙。"
每种石墨级别都有其独特的复合结构，但它们都包含分形，即在不同尺度上看起来相似的形状。
这些复杂性使得难以在微观细节上预测石墨对辐射的响应，尽管几十年来人们已经知道，当石墨受到辐照时，它首先会致密化，体积减少高达10%，随后膨胀并破裂。这种体积波动是由石墨孔隙率和晶格应力的变化引起的。
"石墨在辐射下会退化，任何材料都是如此，"哈伊科维奇说，"因此，一方面我们有一种极其为人熟知的材料，另一方面，我们又面对一种极其复杂的材料，其行为无法通过计算机模拟预测。"
在这项研究中，研究人员从Oak Ridge国家实验室获得了辐照石墨样品。共同作者坎贝尔和斯尼德参与了约20年前对这些样品的辐照。这些样品是一种名为G347A的石墨级别。
研究团队使用了一种称为X射线散射的分析技术，通过X射线束的散射强度来分析材料特性。具体而言，他们观察了样品孔隙的尺寸分布和表面积，即所谓的材料分形维度。
"当你观察散射强度时，会看到很大范围的孔隙率，"费法说，"石墨的孔隙率跨越如此大的尺度，还具有这种分形自相似性：非常小的孔隙看起来与跨越微米的孔隙相似，因此我们使用分形模型来关联不同尺度的形态。"
分形模型曾用于分析石墨样品，但从未用于观察受辐照样品中材料孔隙结构的变化。研究人员发现，当石墨首次暴露于辐射时，其孔隙会随着材料退化而填充。
"但令我们非常惊讶的是，孔隙的尺寸分布开始逆转，"费法说，"我们观察到一种恢复过程，它匹配了我们的整体体积绘图，这非常奇怪。似乎在石墨辐照足够长的时间后，它开始恢复。这类似于退火过程，你创造了一些新孔隙，然后孔隙变得平滑并略微增大。这是一个重大发现。"
研究人员发现，孔隙的尺寸分布与由辐射损伤引起的体积变化密切相关。
"发现孔隙尺寸分布与石墨体积变化之间的强相关性是一项新发现，它有助于理解材料在辐照下的失效，"哈伊科维奇说，"对于了解石墨部件在应力下如何失效，以及辐照下失效概率如何变化，这一点非常重要。"
哈伊科维奇还推测，这些发现可能有助于理解材料在辐照下致密化和膨胀的原因。
"目前还没有定量模型能够考虑到石墨中这种微小尺度的变化，"哈伊科维奇说，"石墨辐照致密化让我联想到沙子或糖，当你将大块压碎成小颗粒时，它们会致密化。对于核石墨来说，压碎力是中子带来的能量，导致大孔隙被更小的碎块填充。但更多的能量和搅动又会创造出更多孔隙，因此石墨再次膨胀。这不是一个完美的类比，但我认为类比有助于理解这些材料。"
研究人员将这篇论文描述为未来核反应堆中石墨生产和应用的重要一步。
"石墨已经被研究了很长时间，我们对其在不同环境中的响应形成了许多直觉，但在建造核反应堆时，细节至关重要，"哈伊科维奇说，"人们需要数字。他们需要知道热导率会如何变化，开裂和体积变化会有多大。如果部件正在改变体积，那么在某些时候，你必须考虑这一点。"