近日，某國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)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(jīng)過(guò)輻照之后變得更加堅(jiān)韌。

    下一代核能系統(tǒng)需要在更高的溫度和更強(qiáng)的輻照條件之下運(yùn)行，其能量轉(zhuǎn)化過(guò)程更加高效和經(jīng)濟(jì)。

    典型的核反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)采用普通的水做冷卻劑，帶走堆芯裂變反應(yīng)產(chǎn)生的釋熱。盡管普通水對(duì)設(shè)備材料的腐蝕性較低，但是選擇其作為反應(yīng)堆冷卻劑仍然受到溫度的限制。對(duì)于先進(jìn)堆而言，提升能量轉(zhuǎn)化效率的一個(gè)最佳途徑便是提升反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的運(yùn)行溫度。

    然而，新的候選冷卻劑諸如液態(tài)金屬鈉或鉛，盡管可大幅提升運(yùn)行溫度，但是對(duì)核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的腐蝕性卻不容小覷。

    “一般而言，核反應(yīng)堆堆內(nèi)結(jié)構(gòu)件都由特定的金屬材料構(gòu)成，然而這些材料大多數(shù)都不能承受先進(jìn)堆內(nèi)冷卻劑的高溫腐蝕，”威斯康星大學(xué)麥迪遜分校工程物理與材料科學(xué)與工程杰出研究教授Kumar Sridharan如是說(shuō)道，“腐蝕是表面現(xiàn)象，如果在材料表面增加涂層，則要求涂層抗輻照，同時(shí)還不至于脆化”。

    Sridharan在與意大利理工學(xué)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(jìn)堆內(nèi)高溫液態(tài)金屬的負(fù)面影響。這種材料可能為核反應(yīng)堆系統(tǒng)帶來(lái)巨大的好處。這項(xiàng)成果已經(jīng)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(shù)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(jiān)韌，CNST-IIT研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Fabio Di Fonzo說(shuō)道。

    “我們的核心工作是驗(yàn)證非晶態(tài)或陶瓷材料能夠在經(jīng)過(guò)輻照后提高性能，這也開(kāi)啟了核反應(yīng)堆用材料發(fā)展的另一個(gè)方向，尤其是大家所關(guān)心的涂層材料。”他解釋道。

    Sridharan 和Di Fonzo通過(guò)他們所指導(dǎo)的研究生Alexander Mairov 和 Francisco García Ferré有機(jī)結(jié)合了彼此在該領(lǐng)域所擁有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。兩位研究生均在CNST-IIT獲得碩士學(xué)位，效力于Di Fonzo。隨后Mairov赴UW-Madison攻讀博士學(xué)位，因?yàn)楣餐膼?ài)好，其與García Ferré保持了良好的溝通合作。

    Di Fonzo的實(shí)驗(yàn)室數(shù)年來(lái)致力于氧化鋁納米陶瓷材料的研究。與Sridharan團(tuán)隊(duì)合作后，采用掃描隧道電子顯微鏡對(duì)涂層材料進(jìn)行了細(xì)致分析，團(tuán)隊(duì)根據(jù)其所掌握的材料特性開(kāi)發(fā)出了性能更好的材料。“Di Fonzo團(tuán)隊(duì)對(duì)新開(kāi)發(fā)的涂層材料進(jìn)行輻照試驗(yàn)，而我們幫助他們分析輻照試驗(yàn)結(jié)果”，Mairov說(shuō)道。“我們成功地為他們所觀察到的材料機(jī)械性能變化和材料納米尺度結(jié)構(gòu)變化建立起了關(guān)聯(lián)關(guān)系”。

    研究人員預(yù)計(jì)該技術(shù)能夠讓核反應(yīng)堆更加安全和經(jīng)濟(jì)。

    “這改變了該研究領(lǐng)域的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，因?yàn)槟壳吧形窗l(fā)現(xiàn)有材料能夠在輻照中提升性能”，García Ferré說(shuō)道。“有了這種新材料，我們可根據(jù)具體的輻射環(huán)境來(lái)調(diào)整的材料的機(jī)械性能特性。特別地，我們能夠找到一種材料，在其壽命結(jié)束時(shí)，還能維持類似輻射前的材料機(jī)械性能。”

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責(zé)任編輯：劉洋

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