德克薩斯A&M大學(xué)科學(xué)家的新研究可能有助于在不久的將來提高核電站的效率。通過使用基于物理的建模和先進(jìn)的模擬相結(jié)合，他們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致核反應(yīng)堆輻射損害的關(guān)鍵潛在因素，而這可以為設(shè)計更多的耐輻射高性能材料帶來啟示。
“反應(yīng)堆需要在更高的功率下運(yùn)行或更長時間地使用燃料以提高其性能。但在這些設(shè)置下，磨損的風(fēng)險也會增加，”核工程系助理教授Karim Ahmed博士說道，“因此，現(xiàn)在迫切需要提出更好的反應(yīng)堆設(shè)計，而實現(xiàn)這一目標(biāo)的方法是優(yōu)化用于建造核反應(yīng)堆的材料。”
這項研究的結(jié)果發(fā)表在《Frontiers in Materials》上。
根據(jù)美能源部的數(shù)據(jù)，核能在電力輸出方面超過了所有其他自然資源，其占了美國發(fā)電量的20%。核能的來源是裂變反應(yīng)，其中鈾的同位素在快速移動的中子撞擊后分裂成子元素。這些反應(yīng)產(chǎn)生巨大的熱量，因此核反應(yīng)堆的部件特別是泵和管道，是用具有特殊強(qiáng)度和抗腐蝕性的材料制成。
然而，裂變反應(yīng)也會產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射，這會導(dǎo)致核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料發(fā)生惡化。在原子層面上，當(dāng)高能輻射滲入這些材料時它可以將原子從它們的位置上撞開進(jìn)而造成點缺陷，或迫使原子占據(jù)空位形成間隙缺陷。這兩種缺陷都會破壞金屬晶體結(jié)構(gòu)中原子的規(guī)則排列。然后，開始時的微小缺陷逐漸形成空隙和位錯環(huán)，隨著時間的推移則會損害材料的機(jī)械性能。
雖然對這些材料在輻射暴露后出現(xiàn)的缺陷類型有一些了解，但Ahmed指出，建立輻射與其他因素如何共同促成缺陷的形成及其增長的模型一直非常艱巨。“挑戰(zhàn)是計算成本。在過去，模擬僅限于特定的材料和橫跨幾微米的區(qū)域，但如果領(lǐng)域大小增加到甚至10幾微米，計算負(fù)荷就會急劇跳升。”
特別是，研究人員指出，為了適應(yīng)更大的領(lǐng)域尺寸，以前的研究在模擬微分方程的參數(shù)數(shù)量上做了妥協(xié)。然而忽略一些參數(shù)而忽略其他參數(shù)的不良后果是對輻射損傷的不準(zhǔn)確描述。
為了克服這些限制，Ahmed和他的團(tuán)隊在設(shè)計他們的模擬時使用了所有的參數(shù)，他們沒有假設(shè)其中一個參數(shù)是否比另一個更相關(guān)。另外，為了執(zhí)行現(xiàn)在計算量大的任務(wù)，他們使用了德州農(nóng)工大學(xué)高性能研究計算組提供的資源。
在運(yùn)行模擬時，他們的分析顯示，在非線性組合中使用所有的參數(shù)會產(chǎn)生對輻射損傷的準(zhǔn)確描述--特別是，除了材料的微觀結(jié)構(gòu)外，反應(yīng)堆內(nèi)的輻射條件、反應(yīng)堆設(shè)計和溫度對于預(yù)測材料因輻射而產(chǎn)生的不穩(wěn)定性也非常重要。
另一方面，研究人員的工作還揭示了專門的納米材料對空隙和位錯環(huán)的容忍度更高的原因。他們發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)包圍同向原子晶體簇的邊界或晶界高于臨界尺寸時才會引發(fā)不穩(wěn)定。因此，納米材料以其極細(xì)的晶粒尺寸抑制了不穩(wěn)定性從而變得更耐輻射。
“盡管我們的研究是一項基礎(chǔ)理論和建模研究，但我們認(rèn)為它將幫助核界優(yōu)化不同類型的核能應(yīng)用的材料，特別是更安全、更有效和更經(jīng)濟(jì)的反應(yīng)堆的新材料，”Ahmed說道，“這一進(jìn)展最終將增加我們對清潔、無碳能源的貢獻(xiàn)。”
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