美国新技术将核反应堆材料测试时间缩短至六小时

随着一个整合的X射线测试站的启用，下一代核反应堆所需的材料评估时间已缩短至约六小时，而非以往需数天。该系统及其性能数据已在《同步辐射杂志》中详细说明。工程师将此设置部署于布鲁克海文国家实验室的X射线粉末衍射光束线，该光束线属于国家同步光源II。该设备将四种独立的计算机断层扫描模式统一至单一测试阶段。因此，研究人员可以同时观察物体的物理形状、元素组成及原子排列，而无需切割或损坏目标材料。

核部件必须在严苛的操作压力下保持完整数十年。高辐射场、机械应力、高温及化学腐蚀会逐渐损害燃料元素及容器。理解这些微观结构的变化是工程师在认证新反应堆设计之前所必需的。

新技术的测试能力

计算机断层扫描能够在不进行实体切割的情况下构建内部结构模式的三维视图。历史上，获取完整的分析图像需要操作人员将样本转移到几个不同的仪器上进行个别测试。这种物流摩擦使得实验延长至数天，并且很难在不同的测试条件下检查完全相同的区域。新站点通过将高能量或“硬”X射线聚焦成一个宽度仅为15微米的狭窄光束来解决此问题，这相当于人类头发厚度的四分之一。硬X射线具有穿透密集重物质的能力，包括结构反应堆钢材及像铀这类放射性锕系燃料。

狭窄的光束提供了测量单一样本内高度有序区域及不规则区域所需的空间分辨率。

在测试周期中，仪器的四种成像模式能够同时记录不同的物理特征。X射线吸收断层扫描记录样本中的密度变化，揭示内部空洞、裂缝及空隙的形成。与此同时，X射线荧光断层扫描追踪元素特征并绘制特定化学元素在样本体积内的位置。X射线衍射断层扫描针对有序的晶体区域，测量内部原子晶格形成的几何图案。配对分布函数断层扫描分析无序的非晶区域，详细描述缺乏规则晶格模式的原子级结构。

布鲁克海文核科学与安全部副主任及新论文的共同作者 Simerjeet Gill 说：“通过同时进行这四种技术，我们可以准确确定这些化学变化发生的位置，并将其与材料强度及脆性的变化联系起来。这种结构-组成-性质关系是我们研究核材料时希望理解的。”

未来的发展方向

为了验证该站的能力，研究人员创建了一个评估样本，将不同直径及化学组成的金属线与粉末组合。试验证明该站能够在六小时内同时记录原子位置、元素分布及物理边界。目前正在进行开发工作，以配备更新的探测器，目标是将整体扫描时间缩短至30分钟以内。除了反应堆材料外，科学家们还利用该系统研究环境水处理用的多孔过滤介质，并评估充电周期中电池内部的变化。

核材料测试的效率提升与应用前景

随着核反应堆材料测试技术的进步，测试时间大幅缩短至六小时，这对核能行业的安全性和效率至关重要。新系统的多功能性使研究人员能够同时获取多种数据，这不仅提升了测试的准确性，还减少了所需的样本处理时间。随着技术的进一步发展，未来有望将扫描时间缩短至30分钟，这将为核心材料的快速评估和环境研究提供更多可能性，进一步推动核能及相关技术的发展。