近日，某國際研究團隊研發了一種新型納米陶瓷材料，該材料不僅能夠抗輻照，還能夠使得材料在經過輻照之后變得更加堅韌。

    下一代核能系統需要在更高的溫度和更強的輻照條件之下運行，其能量轉化過程更加高效和經濟。

    典型的核反應堆冷卻劑系統采用普通的水做冷卻劑，帶走堆芯裂變反應產生的釋熱。盡管普通水對設備材料的腐蝕性較低，但是選擇其作為反應堆冷卻劑仍然受到溫度的限制。對于先進堆而言，提升能量轉化效率的一個最佳途徑便是提升反應堆冷卻劑系統的運行溫度。

    然而，新的候選冷卻劑諸如液態金屬鈉或鉛，盡管可大幅提升運行溫度，但是對核反應堆結構材料的腐蝕性卻不容小覷。

    “一般而言，核反應堆堆內結構件都由特定的金屬材料構成，然而這些材料大多數都不能承受先進堆內冷卻劑的高溫腐蝕，”威斯康星大學麥迪遜分校工程物理與材料科學與工程杰出研究教授Kumar Sridharan如是說道，“腐蝕是表面現象，如果在材料表面增加涂層，則要求涂層抗輻照，同時還不至于脆化”。

    Sridharan在與意大利理工學院（IIT）研究人員的合作下，合成了一種氧化鋁納米陶瓷涂料，該材料能夠承受先進堆內高溫液態金屬的負面影響。這種材料可能為核反應堆系統帶來巨大的好處。這項成果已經刊登在《Nature journal Scientific Reports》雜志上：“Radiation endurance in Al2O3 nanoceramics,” published Sept. 22, 2016, in the Nature journal Scientific Reports.

    大多數材料在輻照之后變硬、脆化。然而，氧化鋁納米陶瓷涂層卻在輻照之后變得更加堅韌，CNST-IIT研究團隊負責人Fabio Di Fonzo說道。

    “我們的核心工作是驗證非晶態或陶瓷材料能夠在經過輻照后提高性能，這也開啟了核反應堆用材料發展的另一個方向，尤其是大家所關心的涂層材料。”他解釋道。

    Sridharan 和Di Fonzo通過他們所指導的研究生Alexander Mairov 和 Francisco García Ferré有機結合了彼此在該領域所擁有的知識和經驗。兩位研究生均在CNST-IIT獲得碩士學位，效力于Di Fonzo。隨后Mairov赴UW-Madison攻讀博士學位，因為共同的愛好，其與García Ferré保持了良好的溝通合作。

    Di Fonzo的實驗室數年來致力于氧化鋁納米陶瓷材料的研究。與Sridharan團隊合作后，采用掃描隧道電子顯微鏡對涂層材料進行了細致分析，團隊根據其所掌握的材料特性開發出了性能更好的材料。“Di Fonzo團隊對新開發的涂層材料進行輻照試驗，而我們幫助他們分析輻照試驗結果”，Mairov說道。“我們成功地為他們所觀察到的材料機械性能變化和材料納米尺度結構變化建立起了關聯關系”。

    研究人員預計該技術能夠讓核反應堆更加安全和經濟。

    “這改變了該研究領域的傳統認識，因為目前尚未發現有材料能夠在輻照中提升性能”，García Ferré說道。“有了這種新材料，我們可根據具體的輻射環境來調整的材料的機械性能特性。特別地，我們能夠找到一種材料，在其壽命結束時，還能維持類似輻射前的材料機械性能。”

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責任編輯：劉洋

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