美國新技術將核反應堆材料測試時間縮短至六小時

隨著一個整合的 X 射線測試站的啟用，下一代核反應堆所需的材料評估時間已縮短至約六小時，而非以往需數天。該系統及其性能數據已在《同步輻射雜誌》中詳細說明。工程師將此設置部署於布魯克海文國家實驗室的 X 射線粉末衍射光束線，該光束線屬於國家同步光源 II。該設備將四種獨立的計算機斷層掃描模式統一至單一測試階段。因此，研究人員可以同時觀察物體的物理形狀、元素組成及原子排列，而無需切割或損壞目標材料。

核部件必須在嚴苛的操作壓力下保持完整數十年。高輻射場、機械應力、高溫及化學腐蝕會逐漸損害燃料元素及容器。理解這些微觀結構的變化是工程師在認證新反應堆設計之前所必需的。

新技術的測試能力

計算機斷層掃描能夠在不進行實體切割的情況下構建內部結構模式的三維視圖。歷史上，獲取完整的分析圖像需要操作人員將樣本轉移到幾個不同的儀器上進行個別測試。這種物流摩擦使得實驗延長至數天，並且很難在不同的測試條件下檢查完全相同的區域。新站點通過將高能量或「硬」X 射線聚焦成一個寬度僅為 15 微米的狹窄光束來解決此問題，這相當於人類頭髮厚度的四分之一。硬 X 射線具有穿透密集重物質的能力，包括結構反應堆鋼材及像鈾這類放射性錒系燃料。

狹窄的光束提供了測量單一樣本內高度有序區域及不規則區域所需的空間解析度。

在測試週期中，儀器的四種成像模式能夠同時記錄不同的物理特徵。X 射線吸收斷層掃描記錄樣本中的密度變化，揭示內部空洞、裂縫及空隙的形成。與此同時，X 射線螢光斷層掃描追蹤元素特徵並繪製特定化學元素在樣本體積內的位置。X 射線衍射斷層掃描針對有序的晶體區域，測量內部原子晶格形成的幾何圖案。配對分佈函數斷層掃描分析無序的非晶區域，詳細描述缺乏規則晶格模式的原子級結構。

布魯克海文核科學與安全部副主任及新論文的共同作者 Simerjeet Gill 說：「通過同時進行這四種技術，我們可以準確確定這些化學變化發生的位置，並將其與材料強度及脆性的變化聯繫起來。這種結構-組成-性質關係是我們在研究核材料時希望理解的。」

未來的發展方向

為了驗證該站的能力，研究人員創建了一個評估樣本，將不同直徑及化學組成的金屬線與粉末組合。試驗證明該站能夠在六小時內同時記錄原子位置、元素分佈及物理邊界。目前正在進行開發工作，以配備更新的探測器，目標是將整體掃描時間縮短至 30 分鐘以內。除了反應堆材料外，科學家們還利用該系統研究環境水處理用的多孔過濾介質，並評估充電週期中電池內部的變化。

核材料測試的效率提升與應用前景

隨著核反應堆材料測試技術的進步，測試時間大幅縮短至六小時，這對核能行業的安全性和效率至關重要。新系統的多功能性使研究人員能夠同時獲取多種數據，這不僅提升了測試的準確性，還減少了所需的樣本處理時間。隨著技術的進一步發展，未來有望將掃描時間縮短至 30 分鐘，這將為核材料的快速評估和環境研究提供更多可能性，進一步推動核能及相關技術的發展。