德克薩斯A&M大學(xué)科學(xué)家的新研究可能有助于在不久的將來(lái)提高核電站的效率。通過(guò)使用基于物理的建模和先進(jìn)的模擬相結(jié)合，他們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致核反應(yīng)堆輻射損害的關(guān)鍵潛在因素，而這可以為設(shè)計(jì)更多的耐輻射高性能材料帶來(lái)啟示。

“反應(yīng)堆需要在更高的功率下運(yùn)行或更長(zhǎng)時(shí)間地使用燃料以提高其性能。但在這些設(shè)置下，磨損的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加，”核工程系助理教授Karim Ahmed博士說(shuō)道，“因此，現(xiàn)在迫切需要提出更好的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法是優(yōu)化用于建造核反應(yīng)堆的材料。”

這項(xiàng)研究的結(jié)果發(fā)表在《Frontiers in Materials》上。

根據(jù)美能源部的數(shù)據(jù)，核能在電力輸出方面超過(guò)了所有其他自然資源，其占了美國(guó)發(fā)電量的20%。核能的來(lái)源是裂變反應(yīng)，其中鈾的同位素在快速移動(dòng)的中子撞擊后分裂成子元素。這些反應(yīng)產(chǎn)生巨大的熱量，因此核反應(yīng)堆的部件特別是泵和管道，是用具有特殊強(qiáng)度和抗腐蝕性的材料制成。

然而，裂變反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射，這會(huì)導(dǎo)致核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料發(fā)生惡化。在原子層面上，當(dāng)高能輻射滲入這些材料時(shí)它可以將原子從它們的位置上撞開(kāi)進(jìn)而造成點(diǎn)缺陷，或迫使原子占據(jù)空位形成間隙缺陷。這兩種缺陷都會(huì)破壞金屬晶體結(jié)構(gòu)中原子的規(guī)則排列。然后，開(kāi)始時(shí)的微小缺陷逐漸形成空隙和位錯(cuò)環(huán)，隨著時(shí)間的推移則會(huì)損害材料的機(jī)械性能。

雖然對(duì)這些材料在輻射暴露后出現(xiàn)的缺陷類型有一些了解，但Ahmed指出，建立輻射與其他因素如何共同促成缺陷的形成及其增長(zhǎng)的模型一直非常艱巨。“挑戰(zhàn)是計(jì)算成本。在過(guò)去，模擬僅限于特定的材料和橫跨幾微米的區(qū)域，但如果領(lǐng)域大小增加到甚至10幾微米，計(jì)算負(fù)荷就會(huì)急劇跳升。”

特別是，研究人員指出，為了適應(yīng)更大的領(lǐng)域尺寸，以前的研究在模擬微分方程的參數(shù)數(shù)量上做了妥協(xié)。然而忽略一些參數(shù)而忽略其他參數(shù)的不良后果是對(duì)輻射損傷的不準(zhǔn)確描述。

為了克服這些限制，Ahmed和他的團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)他們的模擬時(shí)使用了所有的參數(shù)，他們沒(méi)有假設(shè)其中一個(gè)參數(shù)是否比另一個(gè)更相關(guān)。另外，為了執(zhí)行現(xiàn)在計(jì)算量大的任務(wù)，他們使用了德州農(nóng)工大學(xué)高性能研究計(jì)算組提供的資源。

在運(yùn)行模擬時(shí)，他們的分析顯示，在非線性組合中使用所有的參數(shù)會(huì)產(chǎn)生對(duì)輻射損傷的準(zhǔn)確描述--特別是，除了材料的微觀結(jié)構(gòu)外，反應(yīng)堆內(nèi)的輻射條件、反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和溫度對(duì)于預(yù)測(cè)材料因輻射而產(chǎn)生的不穩(wěn)定性也非常重要。

另一方面，研究人員的工作還揭示了專門的納米材料對(duì)空隙和位錯(cuò)環(huán)的容忍度更高的原因。他們發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)包圍同向原子晶體簇的邊界或晶界高于臨界尺寸時(shí)才會(huì)引發(fā)不穩(wěn)定。因此，納米材料以其極細(xì)的晶粒尺寸抑制了不穩(wěn)定性從而變得更耐輻射。

“盡管我們的研究是一項(xiàng)基礎(chǔ)理論和建模研究，但我們認(rèn)為它將幫助核界優(yōu)化不同類型的核能應(yīng)用的材料，特別是更安全、更有效和更經(jīng)濟(jì)的反應(yīng)堆的新材料，”Ahmed說(shuō)道，“這一進(jìn)展最終將增加我們對(duì)清潔、無(wú)碳能源的貢獻(xiàn)。”