作者:德克萨斯A&M大学的Vandana Suresh
信用:CC0公共领域
德克萨斯A&M大学科学家的新研究可能有助于在不久的将来提高核电站的效率
通过结合基于物理的建模和先进的模拟，他们发现了导致核反应堆辐射破坏的关键潜在因素，这可以为设计更耐辐射的高性能材料提供见解
“反应堆需要以更高的功率运行，或者使用更长时间的燃料来提高性能
但是，在这些环境下，磨损的风险也会增加
卡里姆·艾哈迈德，核工程系助理教授
“因此，迫切需要提出更好的反应堆设计，实现这一目标的一种方法是优化用于建造核反应堆的材料
" 研究结果发表在《材料前沿》杂志上
根据美国能源部的数据，核能的发电量超过所有其他自然资源，占美国发电量的20%
核能的来源是裂变反应，其中铀的同位素在受到快速移动的中子撞击后分裂成子元素
这些反应会产生巨大的热量，所以核反应堆的部件，特别是泵和管道，都是由具有特殊强度和耐腐蚀性的材料制成的
然而，裂变反应也会产生强烈的辐射，导致核反应堆结构材料的恶化
在原子水平上，当高能辐射渗入这些材料时，它可以从它们的位置上敲掉原子，导致点缺陷，或者迫使原子占据空位，形成间隙缺陷
这两种缺陷都破坏了金属晶体结构中原子的规则排列
然后，随着时间的推移，微小的缺陷开始形成空洞和位错环，损害材料的机械性能
艾哈迈德说，虽然人们对这些材料在受到辐射时会出现的缺陷类型有所了解，但很难模拟辐射以及其他因素(如反应堆的温度和材料的微观结构)是如何共同导致形成缺陷及其生长的
“挑战在于计算成本，”他说
“过去，模拟仅限于特定的材料和跨越几微米的区域，但如果域的大小增加到几十微米，计算量就会急剧增加
" 特别是，研究人员说，为了适应更大的域大小，以前的研究已经妥协了模拟微分方程中的参数数量
然而，忽略某些参数而忽略其他参数的不良后果是对辐射损伤的描述不准确
为了克服这些限制，艾哈迈德和他的团队用所有参数设计了他们的模拟，没有假设其中一个参数是否比另一个参数更相关
此外，为了执行现在计算量很大的任务，他们使用了德克萨斯A&M高性能研究计算小组提供的资源
在运行模拟时，他们的分析显示，使用非线性组合中的所有参数产生了辐射损伤的精确描述
特别是，除了材料的微观结构之外，反应器内的辐射条件、反应器设计和温度在预测材料因辐射引起的不稳定性方面也很重要
另一方面，研究人员的工作也揭示了为什么特殊纳米材料更能容忍空洞和位错环
他们发现，只有当包围共取向原子晶体簇的边界或晶界超过临界尺寸时，才会触发不稳定性
因此，具有极细晶粒尺寸的纳米材料抑制了不稳定性，从而变得更耐辐射
艾哈迈德说:“尽管我们的研究是一项基础理论和建模研究，但我们认为它将有助于核社区优化不同类型核能应用的材料，特别是更安全、更高效和更经济的反应堆新材料。”
“这一进展最终将增加我们对清洁、无碳能源的贡献
" 博士；医生
阿卜杜拉赫曼·厄兹图尔克是核工程部门的一名研究助理，他是这项工作的主要作者
核工程系的研究生Merve Gencturk也为这项研究做出了贡献
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