石墨是全球部分最古老的核反應堆以及許多在建新一代反應堆的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，但其在輻射作用下會發(fā)生收縮與膨脹，這種變化機制長期難以破解。

近日，麻省理工學院（MIT）研究團隊與合作者揭示了石墨材料特性與其輻射響應行為之間的關(guān)聯(lián)。這項突破有望為全球核反應堆用石墨材料壽命預測提供更精準、非破壞性的新方法。

“我們進行了一些基礎(chǔ)科學研究，以了解導致石墨結(jié)構(gòu)膨脹并最終失效的原因，”麻省理工學院研究科學家、這項研究的資深作者 Boris Khaykovich 說道。“要將其付諸實踐，還需要更多研究，但這篇論文提出了一個對工業(yè)界頗具吸引力的想法：或許無需破壞數(shù)百個輻照樣品就能了解它們的失效點?！?/p>

該研究還特別論證了石墨內(nèi)部孔隙尺寸與材料體積脹縮行為之間的關(guān)聯(lián)機制，這種脹縮正是導致材料性能退化的根源。

“核級石墨的服役壽命受限于輻照誘導膨脹，”合著者、麻省理工學院科研科學家 Lance Snead 指出，“孔隙率是控制膨脹的關(guān)鍵參數(shù)。盡管自曼哈頓計劃以來核用石墨研究已持續(xù)數(shù)十年，我們對孔隙率在力學性能和膨脹行為中的作用仍缺乏清晰認知。這項研究填補了該空白。”

相關(guān)研究以題為“Linking Lattice Strain and Fractal Dimensions to Non-monotonic Volume Changes in Irradiated Nuclear Graphite”發(fā)表在Interdisciplinary Materials期刊。

歷經(jīng)數(shù)十載研究的復雜材料

自 1942 年物理學家們在芝加哥大學改造的壁球場上建造全球首座核反應堆“芝加哥一號堆”以來，石墨始終在核能領(lǐng)域扮演著核心角色。這座由約 4 萬塊嵌有鈾燃料的石墨磚構(gòu)成的先驅(qū)裝置，開創(chuàng)了人類利用原子能的新紀元。

如今，石墨不僅是眾多現(xiàn)役核反應堆的關(guān)鍵組件，更被列為熔鹽堆、高溫氣冷堆等新一代反應堆設(shè)計的核心材料。其價值在于卓越的中子慢化能力——通過減緩核裂變釋放的中子速度，大幅提升鏈式反應效率。

“石墨的珍貴之處正在于其簡約性，”Khaykovich 闡釋道，“這種純碳材料制備工藝成熟穩(wěn)定，我們對其凈化處理也積累了豐富經(jīng)驗。作為一種歷經(jīng)考驗的技術(shù)，它兼具結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)勢。”

但簡約的外表下隱藏著復雜的本質(zhì)。

盡管由單一碳元素構(gòu)成，石墨本質(zhì)上是一種復合材料，它包含結(jié)晶度較高的填料顆粒、結(jié)晶度較低的粘結(jié)劑基質(zhì)，以及橫跨納米至微米尺度的多級孔隙結(jié)構(gòu)。

不同品級石墨具有獨特的復合結(jié)構(gòu)，但都呈現(xiàn)分形特征——即在不同觀測尺度下保持相似的形貌特征。這種復雜性使得學界雖早知石墨在輻照下會經(jīng)歷先致密（體積收縮達 10%）后膨脹開裂的過程，卻始終難以從微觀層面精準預測其輻射響應行為。體積漲縮的根源在于孔隙率變化與晶格應力改變。

“與所有材料一樣，石墨在輻射下會逐漸劣化。這形成了一種矛盾：我們既面對一種認知極透徹的材料，又不得不承認其復雜行為遠超當前計算機模擬的預測能力?！盞haykovich 表示。

為了進行這項研究，研究人員從橡樹嶺國家實驗室獲得了輻照石墨樣品G347A 級石墨樣品。合著者 Anne Campbell 與 Snead 約 20 年前就參與了這些樣品的輻照處理。研究團隊創(chuàng)新性地將 X 射線散射技術(shù)應用于輻照后樣品分析，通過解析X射線束的散射強度分布，首次系統(tǒng)量化了材料孔隙尺寸與表面積的演變規(guī)律。

“散射強度圖譜揭示了跨尺度的孔隙分布，”參與者 Sean Fayfar 描述道，“石墨的孔隙結(jié)構(gòu)具有典型的分形特征：從納米級到微米級都呈現(xiàn)自相似性，這促使我們采用分形模型來關(guān)聯(lián)不同尺度的形貌特征?！?/p>

雖然分形模型此前曾用于石墨分析，但針對輻照后孔隙結(jié)構(gòu)演變的研究尚屬首次。團隊發(fā)現(xiàn)石墨在初始輻照階段會出現(xiàn)孔隙填充現(xiàn)象，但出人意料的是，孔隙尺寸分布隨后發(fā)生逆轉(zhuǎn)性變化，這種與整體體積變化曲線吻合的恢復機制非常奇特。長期輻照后材料似乎啟動自修復，類似于退火過程中新孔隙生成繼而平滑擴大的過程

研究最終確立了孔隙尺寸分布與輻射致體積變化的強關(guān)聯(lián)性?！鞍l(fā)現(xiàn)孔隙分布與體積變化的定量關(guān)系是項突破，”Khaykovich 總結(jié)道，“這不僅揭示了輻照下材料失效的深層機制，更能幫助工程師預判石墨構(gòu)件在輻射應力場中的失效概率演變規(guī)律?！?/p>

從實驗室到反應堆的跨越

研究團隊計劃進一步考察其他品級石墨，深入探究輻照后孔隙尺寸與失效概率的關(guān)聯(lián)機制。他們推測，常用于陶瓷和金屬合金等多孔材料失效概率分析的威布爾分布統(tǒng)計方法，或可應用于石墨服役壽命預測。

Khaykovich 指出，這項發(fā)現(xiàn)甚至可能為破解材料輻照致密-膨脹機制提供新思路：“目前所有石墨輻照致密化定量模型都未考慮微觀尺度變化。這種現(xiàn)象讓我聯(lián)想到砂糖或沙粒——當大顆粒被粉碎成細小顆粒時體積會收縮。對核石墨而言，中子攜帶的能量就是這種‘粉碎力’，它使大孔隙被破碎的細小碳顆粒填充。但隨著輻照能量持續(xù)輸入，新孔隙又不斷產(chǎn)生，導致材料再次膨脹。這個類比雖不完美，但能幫助我們理解材料行為演變規(guī)律。”

研究者們將本論文視為推動未來核反應堆石墨材料研發(fā)與應用的重要基石。“盡管石墨研究歷史悠長，工程師們對其在各種環(huán)境下的表現(xiàn)已形成強烈直覺，但核反應堆建造必須精確到每個細節(jié)，”Khaykovich 強調(diào)，“業(yè)界需要具體數(shù)值——導熱系數(shù)變化幅度、裂紋擴展速率、體積漲縮比例。當組件發(fā)生尺寸變化時，設(shè)計者必須獲得量化依據(jù)?！?/p>

本研究獲得了美國能源部的部分資助。

https://news.mit.edu/2025/study-sheds-light-graphites-lifespan-nuclear-reactors-0814