美国研究揭示石墨在核辐射下的神秘变化与危害

核反应堆——无论是老旧设计还是新型设计——都使用大量石墨，因为它是一个关键组成部分。它也是反应堆中因辐射而变形的组成部分之一。

石墨变化的原因很难研究；然而，麻省理工学院的科学家们现在发现了非金属的特性与其对辐射反应的表现之间的联系。

麻省理工学院的科学家和项目合作者表示，这可能会带来更准确的预测全球核反应堆中石墨寿命的方法。

“我们进行了一些基础科学研究，以了解石墨结构膨胀和最终失效的原因，”麻省理工学院研究科学家鲍里斯·卡伊科维奇说，他是这项新研究的主要作者。

卡伊科维奇补充说，尽管在这个领域还需要更多研究，但它提出了一个想法，不需要破坏数百个辐照样本就能了解它们的失效点。

石墨在核反应堆中的使用

石墨主要用于核反应堆中，以降低中子的速度，从而实现受控的链式反应。它的最大应用是作为中子慢化剂和反射器。

石墨是一种良好的中子慢化剂，减缓核裂变产生的中子，使它们更有可能自行产生裂变并维持链式反应。

在1942年世界上第一座核反应堆在芝加哥大学建造时，石墨被用作关键材料。芝加哥堆 使用了大约40,000块石墨。

直到今天，它仍然是核反应堆的关键组成部分，最近的一份报告强调，石墨约占反应堆建设成本的三分之二。

结构的复杂性

石墨在核反应堆中的使用带来了许多复杂性，尽管我们已经知道如何干净地制造它。

“我们称石墨为复合材料，尽管它只由碳原子组成，”Khaykovich说。“它包含更具晶体结构的‘填料颗粒’，然后是被称为‘粘合剂’的较少晶体的基体，接着是从纳米到许多微米长度的孔。”

每种材料等级都有其独特的复合结构，但在不同的尺度上，有些形状在不同尺度下看起来是相似的。

这些复杂的因素使得预测某一块石墨在辐射下的行为变得困难。通常，在辐射照射下，石墨变得密集，体积最多减少10%，随后出现膨胀和开裂。

科学家们从橡树岭国家实验室（ORNL）获得了辐照样品，并使用了一种称为X射线散射的分析技术。这个过程利用X射线束的散射强度来分析材料性质。之前在石墨样品上使用过分形模型，但辐照样品上没有使用过。

他们用这种方法观察样品孔隙的大小和表面积分布。

麻省理工学院对核反应堆用石墨样品的研究发现

他们发现，当石墨首次暴露于辐射时，孔隙会随着材料的降解而被填充。

“让我们感到相当惊讶的是，[孔的大小分布]发生了变化，”麻省理工学院研究科学家肖恩·法伊法尔说。 “我们发现这个恢复过程与我们的总体体积图相符，这让人感到很奇怪。 似乎石墨在辐照一段时间后开始恢复。这有点像一种退火过程，会产生一些新的孔，随后这些孔会变得平滑并稍微增大。这是一个很大的惊喜。”

科学家们发现，孔的大小分布与辐射损伤造成的体积变化密切相关。

Khaykovich 补充说 ，发现孔的大小分布与石墨的体积变化之间存在强相关性是一个新发现。“了解石墨部件在受力时如何失效，以及在辐照下失效概率如何变化，对人们来说是很重要的。”

该团队现在计划研究其他类型的石墨，并探讨辐照石墨中孔的大小与失效概率之间的关系。

他们推测一种被称为 韦布尔分布的统计技术可以用来预测石墨失效的时间。

此外，这些发现还可以帮助理解为什么其他材料在辐照下会变得更加致密和膨胀。