MIT首次揭示石墨辐射损伤全周期变化，破解核反应堆材料寿命密码

石墨是全球部分最古老的核反应堆以及许多在建新一代反应堆的关键结构材料，但其在辐射作用下会发生收缩与膨胀，这种变化机制长期难以破解。

近日，麻省理工学院（MIT）研究团队与合作者揭示了石墨材料特性与其辐射响应行为之间的关联。这项突破有望为全球核反应堆用石墨材料寿命预测提供更精准、非破坏性的新方法。

“我们进行了一些基础科学研究，以了解导致石墨结构膨胀并最终失效的原因，”麻省理工学院研究科学家、这项研究的资深作者 Boris Khaykovich 说道。“要将其付诸实践，还需要更多研究，但这篇论文提出了一个对工业界颇具吸引力的想法：或许无需破坏数百个辐照样品就能了解它们的失效点。”

该研究还特别论证了石墨内部孔隙尺寸与材料体积胀缩行为之间的关联机制，这种胀缩正是导致材料性能退化的根源。

“核级石墨的服役寿命受限于辐照诱导膨胀，”合著者、麻省理工学院科研科学家 Lance Snead 指出，“孔隙率是控制膨胀的关键参数。尽管自曼哈顿计划以来核用石墨研究已持续数十年，我们对孔隙率在力学性能和膨胀行为中的作用仍缺乏清晰认知。这项研究填补了该空白。”

相关研究以题为“Linking Lattice Strain and Fractal Dimensions to Non-monotonic Volume Changes in Irradiated Nuclear Graphite”发表在Interdisciplinary Materials期刊。

历经数十载研究的复杂材料

自 1942 年物理学家们在芝加哥大学改造的壁球场上建造全球首座核反应堆“芝加哥一号堆”以来，石墨始终在核能领域扮演着核心角色。这座由约 4 万块嵌有铀燃料的石墨砖构成的先驱装置，开创了人类利用原子能的新纪元。

如今，石墨不仅是众多现役核反应堆的关键组件，更被列为熔盐堆、高温气冷堆等新一代反应堆设计的核心材料。其价值在于卓越的中子慢化能力——通过减缓核裂变释放的中子速度，大幅提升链式反应效率。

“石墨的珍贵之处正在于其简约性，”Khaykovich 阐释道，“这种纯碳材料制备工艺成熟稳定，我们对其净化处理也积累了丰富经验。作为一种历经考验的技术，它兼具结构简单、性能可靠等优势。”

但简约的外表下隐藏着复杂的本质。

尽管由单一碳元素构成，石墨本质上是一种复合材料，它包含结晶度较高的填料颗粒、结晶度较低的粘结剂基质，以及横跨纳米至微米尺度的多级孔隙结构。

不同品级石墨具有独特的复合结构，但都呈现分形特征——即在不同观测尺度下保持相似的形貌特征。这种复杂性使得学界虽早知石墨在辐照下会经历先致密（体积收缩达 10%）后膨胀开裂的过程，却始终难以从微观层面精准预测其辐射响应行为。体积涨缩的根源在于孔隙率变化与晶格应力改变。

“与所有材料一样，石墨在辐射下会逐渐劣化。这形成了一种矛盾：我们既面对一种认知极透彻的材料，又不得不承认其复杂行为远超当前计算机模拟的预测能力。”Khaykovich 表示。

为了进行这项研究，研究人员从橡树岭国家实验室获得了辐照石墨样品G347A 级石墨样品。合著者 Anne Campbell 与 Snead 约 20 年前就参与了这些样品的辐照处理。研究团队创新性地将 X 射线散射技术应用于辐照后样品分析，通过解析X射线束的散射强度分布，首次系统量化了材料孔隙尺寸与表面积的演变规律。

“散射强度图谱揭示了跨尺度的孔隙分布，”参与者 Sean Fayfar 描述道，“石墨的孔隙结构具有典型的分形特征：从纳米级到微米级都呈现自相似性，这促使我们采用分形模型来关联不同尺度的形貌特征。”

虽然分形模型此前曾用于石墨分析，但针对辐照后孔隙结构演变的研究尚属首次。团队发现石墨在初始辐照阶段会出现孔隙填充现象，但出人意料的是，孔隙尺寸分布随后发生逆转性变化，这种与整体体积变化曲线吻合的恢复机制非常奇特。长期辐照后材料似乎启动自修复，类似于退火过程中新孔隙生成继而平滑扩大的过程

研究最终确立了孔隙尺寸分布与辐射致体积变化的强关联性。“发现孔隙分布与体积变化的定量关系是项突破，”Khaykovich 总结道，“这不仅揭示了辐照下材料失效的深层机制，更能帮助工程师预判石墨构件在辐射应力场中的失效概率演变规律。”

从实验室到反应堆的跨越

研究团队计划进一步考察其他品级石墨，深入探究辐照后孔隙尺寸与失效概率的关联机制。他们推测，常用于陶瓷和金属合金等多孔材料失效概率分析的威布尔分布统计方法，或可应用于石墨服役寿命预测。

Khaykovich 指出，这项发现甚至可能为破解材料辐照致密-膨胀机制提供新思路：“目前所有石墨辐照致密化定量模型都未考虑微观尺度变化。这种现象让我联想到砂糖或沙粒——当大颗粒被粉碎成细小颗粒时体积会收缩。对核石墨而言，中子携带的能量就是这种‘粉碎力’，它使大孔隙被破碎的细小碳颗粒填充。但随着辐照能量持续输入，新孔隙又不断产生，导致材料再次膨胀。这个类比虽不完美，但能帮助我们理解材料行为演变规律。”

研究者们将本论文视为推动未来核反应堆石墨材料研发与应用的重要基石。“尽管石墨研究历史悠长，工程师们对其在各种环境下的表现已形成强烈直觉，但核反应堆建造必须精确到每个细节，”Khaykovich 强调，“业界需要具体数值——导热系数变化幅度、裂纹扩展速率、体积涨缩比例。当组件发生尺寸变化时，设计者必须获得量化依据。”

本研究获得了美国能源部的部分资助。

https://news.mit.edu/2025/study-sheds-light-graphites-lifespan-nuclear-reactors-0814