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（來源：DeepTech深科技）
石墨是全球部分最古老的核反應堆以及許多在建新一代反應堆的關鍵結構材料，但其在輻射作用下會發生收縮與膨脹，這種變化機制長期難以破解。
近日，麻省理工學院（MIT）研究團隊與合作者揭示了石墨材料特性與其輻射響應行為之間的關聯。這項突破有望為全球核反應堆用石墨材料壽命預測提供更精準、非破壞性的新方法。
「我們進行了一些基礎科學研究，以瞭解導致石墨結構膨脹並最終失效的原因，」麻省理工學院研究科學家、這項研究的資深作者 Boris Khaykovich 說道。「要將其付諸實踐，還需要更多研究，但這篇論文提出了一個對工業界頗具吸引力的想法：或許無需破壞數百個輻照樣品就能瞭解它們的失效點。」
該研究還特別論證了石墨內部孔隙尺寸與材料體積脹縮行為之間的關聯機制，這種脹縮正是導致材料性能退化的根源。
「核級石墨的服役壽命受限於輻照誘導膨脹，」合著者、麻省理工學院科研科學家 Lance Snead 指出，「孔隙率是控制膨脹的關鍵參數。儘管自曼哈頓計劃以來核用石墨研究已持續數十年，我們對孔隙率在力學性能和膨脹行為中的作用仍缺乏清晰認知。這項研究填補了該空白。」
相關研究以題為「Linking Lattice Strain and Fractal Dimensions to Non-monotonic Volume Changes in Irradiated Nuclear Graphite」發表在Interdisciplinary Materials期刊。
歷經數十載研究的複雜材料
自 1942 年物理學家們在芝加哥大學改造的壁球場上建造全球首座核反應堆「芝加哥一號堆」以來，石墨始終在覈能領域扮演着核心角色。這座由約 4 萬塊嵌有鈾燃料的石墨磚構成的先驅裝置，開創了人類利用原子能的新紀元。
如今，石墨不僅是衆多現役核反應堆的關鍵組件，更被列為熔鹽堆、高溫氣冷堆等新一代反應堆設計的核心材料。其價值在於卓越的中子慢化能力——通過減緩核裂變釋放的中子速度，大幅提升鏈式反應效率。
「石墨的珍貴之處正在於其簡約性，」Khaykovich 闡釋道，「這種純碳材料製備工藝成熟穩定，我們對其淨化處理也積累了豐富經驗。作為一種歷經考驗的技術，它兼具結構簡單、性能可靠等優勢。」
但簡約的外表下隱藏着複雜的本質。
儘管由單一碳元素構成，石墨本質上是一種複合材料，它包含結晶度較高的填料顆粒、結晶度較低的粘結劑基質，以及橫跨納米至微米尺度的多級孔隙結構。
不同品級石墨具有獨特的複合結構，但都呈現分形特徵——即在不同觀測尺度下保持相似的形貌特徵。這種複雜性使得學界雖早知石墨在輻照下會經歷先緻密（體積收縮達 10%）後膨脹開裂的過程，卻始終難以從微觀層面精準預測其輻射響應行為。體積漲縮的根源在於孔隙率變化與晶格應力改變。
「與所有材料一樣，石墨在輻射下會逐漸劣化。這形成了一種矛盾：我們既面對一種認知極透徹的材料，又不得不承認其複雜行為遠超當前計算機模擬的預測能力。」Khaykovich 表示。
為了進行這項研究，研究人員從橡樹嶺國家實驗室獲得了輻照石墨樣品G347A 級石墨樣品。合著者 Anne Campbell 與 Snead 約 20 年前就參與了這些樣品的輻照處理。研究團隊創新性地將 X 射線散射技術應用於輻照後樣品分析，通過解析X射線束的散射強度分佈，首次系統量化了材料孔隙尺寸與表面積的演變規律。
「散射強度圖譜揭示了跨尺度的孔隙分佈，」參與者 Sean Fayfar 描述道，「石墨的孔隙結構具有典型的分形特徵：從納米級到微米級都呈現自相似性，這促使我們採用分形模型來關聯不同尺度的形貌特徵。」
雖然分形模型此前曾用於石墨分析，但針對輻照後孔隙結構演變的研究尚屬首次。團隊發現石墨在初始輻照階段會出現孔隙填充現象，但出人意料的是，孔隙尺寸分佈隨後發生逆轉性變化，這種與整體體積變化曲線吻合的恢復機制非常奇特。長期輻照後材料似乎啓動自修復，類似於退火過程中新孔隙生成繼而平滑擴大的過程
研究最終確立了孔隙尺寸分佈與輻射致體積變化的強關聯性。「發現孔隙分佈與體積變化的定量關係是項突破，」Khaykovich 總結道，「這不僅揭示了輻照下材料失效的深層機制，更能幫助工程師預判石墨構件在輻射應力場中的失效概率演變規律。」
從實驗室到反應堆的跨越
研究團隊計劃進一步考察其他品級石墨，深入探究輻照後孔隙尺寸與失效概率的關聯機制。他們推測，常用於陶瓷和金屬合金等多孔材料失效概率分析的威布爾分佈統計方法，或可應用於石墨服役壽命預測。
Khaykovich 指出，這項發現甚至可能為破解材料輻照緻密-膨脹機制提供新思路：「目前所有石墨輻照緻密化定量模型都未考慮微觀尺度變化。這種現象讓我聯想到砂糖或沙粒——當大顆粒被粉碎成細小顆粒時體積會收縮。對核石墨而言，中子攜帶的能量就是這種‘粉碎力’，它使大孔隙被破碎的細小碳顆粒填充。但隨着輻照能量持續輸入，新孔隙又不斷產生，導致材料再次膨脹。這個類比雖不完美，但能幫助我們理解材料行為演變規律。」
研究者們將本論文視為推動未來核反應堆石墨材料研發與應用的重要基石。「儘管石墨研究歷史悠長，工程師們對其在各種環境下的表現已形成強烈直覺，但核反應堆建造必須精確到每個細節，」Khaykovich 強調，「業界需要具體數值——導熱係數變化幅度、裂紋擴展速率、體積漲縮比例。當組件發生尺寸變化時，設計者必須獲得量化依據。」
本研究獲得了美國能源部的部分資助。
https://news.mit.edu/2025/study-sheds-light-graphites-lifespan-nuclear-reactors-0814