X射线技术革新核反应堆材料研究

这种方法可能使工程师和科学家设计出更安全的核反应堆，同时为发电和海军舰艇推进等应用提供更高性能。

在实验中，研究人员利用极强的X射线模拟中子与核反应堆内材料相互作用的行为。

他们发现，在材料与基底之间添加一层二氧化硅缓冲层，并将材料置于X射线束下更长时间，可以提高样品的稳定性。这使得实时监测材料失效过程成为可能。

通过重建材料失效时的三维图像数据，研究人员可以设计出更耐用的材料，能够更好地承受核反应堆内辐照引起的应力。

“如果我们能改进核反应堆的材料，就意味着可以延长反应堆的寿命。同时，材料失效所需时间会更长，因此我们可以比现在更充分地利用核反应堆。我们展示的这项技术能够在实时理解材料失效方面突破边界，”埃里克莫尔·乔索说。他在核科学与工程系（NSE）担任约翰·克拉克·哈德威克教授，同时在电气工程与计算机科学系（EECS）和MIT施瓦茨曼计算机学院任职。

作为这项技术研究论文的资深作者，乔索与论文的主要作者——NSE博士后戴维·西蒙尼；NSE研究生赖利·赫特奎斯特；欧洲同步辐射中心的江涛·赵；以及Synchrotron SOLEIL的安德烈·雷斯塔共同完成了这项研究。研究结果于周二发表在《Scripta Materiala》期刊上。

“只有通过这种技术，我们才能在腐蚀过程中以纳米级精度测量应变。我们的目标是将这些新颖的想法引入核科学界，同时利用同步加速器作为X射线探针和辐射源，”西蒙尼补充道。

通常情况下，研究人员只能在事后通过将材料从环境中取出并用高分辨率仪器成像来研究这种材料失效。

“我们感兴趣的是观察过程发生时的实时情况。如果能够做到这一点，我们可以从头到尾跟踪材料，观察其何时以及如何失效。这有助于我们更好地理解材料，”他说。

他们通过向样品发射高度聚焦的X射线束来模拟核反应堆内部环境。研究人员必须使用一种特殊的高强度X射线，这种X射线仅在全球少数几个实验设施中提供。

在这些实验中，他们研究了镍，这是一种常用于先进核反应堆合金中的材料。但在启动X射线设备之前，他们必须制备一个样品。

为此，研究人员使用了一种称为固态退润湿的工艺，将材料的薄膜放置在基底上，并在炉中加热到极高的温度，直到它转变为单晶。

“我们原以为制备样品会很简单，但事实并非如此，”乔索说。

当镍受热时，它会与硅基底相互作用并形成新的化合物，从而完全破坏实验。经过多次试验和错误，研究人员发现，在镍和基底之间添加一层薄薄的二氧化硅可以防止这种反应。

然而，当晶体在缓冲层上形成时，它们具有高度的应变。这意味着单个原子轻微移动到新位置，导致晶体结构的扭曲。

相位恢复算法通常可以在实时恢复晶体的三维尺寸和形状，但如果材料中存在过多的应变，算法会失败。

然而，研究团队惊讶地发现，将X射线束在样品上停留更长时间会导致由于硅缓冲层的作用应变逐渐松弛。经过几分钟的额外X射线照射后，样品足够稳定，他们可以使用相位恢复算法准确恢复晶体的三维形状和尺寸。

“以前没有人能做到这一点。现在我们能够制造这种晶体，可以在实时条件下观察电化学过程（如腐蚀），在类似于核反应堆内部的环境中观察晶体的三维失效。这具有深远的影响，”他说。

他们尝试使用不同的基底，如掺铌钛酸锶，发现只有添加了二氧化硅缓冲层的硅片才能产生这种独特效果。

他们还可以利用X射线束精确控制材料中的应变量，这可能对微电子器件的开发产生影响。

在微电子领域，工程师通常会引入应变以变形材料的晶体结构，从而提高其电学或光学性能。

“通过我们的技术，工程师可以在制造微电子器件时使用X射线来调节应变。虽然这不是我们实验的初衷，但这就像一箭双雕，”他补充道。

未来，研究人员希望将这种技术应用于更复杂的材料，如钢和其他用于核反应堆及航空航天应用的金属合金。他们还想研究改变二氧化硅缓冲层的厚度如何影响他们控制晶体样品应变的能力。

“这一发现具有重要意义。首先，它提供了关于纳米级材料如何响应辐射的基本见解——这是一个对能源技术、微电子和量子材料日益重要的问题。其次，它突出了基底在应变松弛中的关键作用，表明支撑表面可以决定粒子在受到聚焦X射线束照射时是保留还是释放应变，”未参与这项工作的伦斯勒理工学院的副教授埃德温·福特温说。

这项研究部分由MIT教师启动基金和美国能源部资助。样品制备部分在MIT.nano设施中完成。

研究报告：“X射线辐照诱导修饰硅基底上退润湿镍颗粒的应变松弛”