给核反应堆材料做“实时CT”，MIT科学家开发无损监测新技术

研究先进核反应堆中所使用的材料失效情况，通常只能在事后通过将材料从其环境中取出并用高分辨率仪器对其进行成像分析。

近日，麻省理工学院的研究人员开发了一种技术，称其能够在核反应堆环境中实时、三维地监测腐蚀、开裂以及其他材料失效过程。这将使工程师和科学家能够设计出更安全的核反应堆，同时也能为发电和海军舰艇推进等应用提供更高的性能。

相关论文以题为“X-ray irradiation induced strain relaxation of dewetted Ni particles on modified Si substrate”发表在Scripta Materiala期刊。

在实验过程中，研究人员利用极其强大的 X 射线来模拟中子在核反应堆内与材料相互作用的行为。他们发现，在材料和其基底之间增加一层二氧化硅缓冲层，并让材料在 X射线下停留更长时间，可以提高样品的稳定性。这使得对材料失效过程的实时监测成为可能。

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具韧性的材料，使其能够更好地承受核反应堆内辐照造成的应力。

“如果我们能够改进核反应堆的材料，就意味着可以延长反应堆的使用寿命。这也意味着材料的失效时间会更长，因此可以比现在更充分地利用核反应堆。”Ericmoore Jossou 表示。

“只有通过这种技术，我们才能在腐蚀过程中以纳米级分辨率测量应变。我们的目标是将这些新颖的想法带给核科学界，同时利用同步辐射装置作为 X 射线探针和辐射源。”参与这项研究的 David Simonne 补充道。

实时成像

研究先进核反应堆中使用的材料的实时失效一直是 Jossou 研究小组的长期目标。

他们通过向样品发射极其聚焦的 X 射线束来模拟这一过程，以模拟核反应堆内的环境。研究人员必须使用一种特殊的高强度 X 射线，而这种 X 射线只在世界上少数几个实验设施中存在。

在这些实验中，他们研究了，这是一种被纳入先进核反应堆中常用合金的材料。但在他们能够启动 X 射线设备之前，必须先准备一个样品。

为此，研究人员采用了一种称为固态去湿的过程，该过程涉及将材料的薄膜置于基底上，并在炉中将其加热到极高的温度，直到它转化为单晶。

当镍被加热时，其与硅基底发生反应，形成了一个新的化合物，这实际上使整个实验脱轨。经过多次尝试，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。

但当晶体在缓冲层上方形成时，它们处于高度应变状态。这意味着单个原子稍微移动到了新的位置，导致晶体结构发生畸变。

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，但如果材料中的应变过大，这些算法就会失败。

然而，该团队惊讶地发现，将 X 射线束长时间照射在样品上，由于二氧化硅缓冲层的存在，应变会逐渐放松。经过几分钟额外的 X 射线照射后，样品足够稳定，他们可以利用相位恢复算法准确地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，我们就可以实时成像电化学过程，如腐蚀，观察晶体在非常类似于核反应堆内的条件下以三维方式失效。这具有深远的影响，”Jossou 说道。

他们尝试了不同的基底，如掺杂铌的钛酸锶，发现只有用二氧化硅缓冲的硅片才能产生这种独特的效果。

“无心插柳”的科学惊喜

在完善实验时，研究人员发现他们还可以利用 X 射线束精确地控制材料中的应变，这可能对微电子学的发展产生影响。在微电子学界，工程师们常常引入应变，以一种能够增强材料的电学或光学性能的方式使其晶体结构变形。

“凭借我们的技术，工程师们可以在制造微电子器件时利用 X 射线调整其中的应变。虽然这并非我们进行这些实验的目标，但这就像用一份代价获得了两个结果，”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，如用于核反应堆和航空航天应用的钢和其他金属合金。他们还希望了解改变二氧化硅缓冲层厚度如何影响他们控制晶体样品中应变的能力。

伦斯勒理工学院的副教授 Edwin Fohtung 评价称，“这一发现意义重大，原因有二。首先，它为纳米级材料对辐射的响应提供了基本的见解，对于能源技术、微电子学和量子材料来说，这是一个日益重要的问题；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颗粒在暴露于聚焦X射线束时是保持还是释放应变。”

1.https://news.mit.edu/2025/new-method-could-monitor-corrosion-and-cracking-nuclear-reactor-0827