材料輻射損傷現(xiàn)在可以實(shí)時監(jiān)測了！

為了評估一種材料在核反應(yīng)堆內(nèi)承受高輻射環(huán)境的能力，研究人員傳統(tǒng)上都是采用“先實(shí)驗(yàn)、再觀察”的方法，即將該材料暴露在高輻射環(huán)境中，然后取出進(jìn)行檢測。但是這個過程通常都比較耗時，極大地阻礙了一些未來新型反應(yīng)堆以及新材料的開發(fā)進(jìn)程。

但是現(xiàn)在，來自美國麻省理工學(xué)院(MIT)和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室(Sandia National laboratory)的研究人員成功開發(fā)出了一種新型系統(tǒng)并進(jìn)行了相關(guān)測試，該系統(tǒng)可以連續(xù)監(jiān)測輻射在材料中引發(fā)的變化，比傳統(tǒng)方法提供的數(shù)據(jù)更加有效，而且速度更快。

美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室安裝并測試了這種新型輻射損傷檢測系統(tǒng)。輻射損傷過程可以在位于圖像右側(cè)的黑色激光罩后面的靶室中觀察到。

根據(jù)現(xiàn)有的一些規(guī)定，許多核電站的運(yùn)行壽命已接近尾聲，了解核電站內(nèi)部材料的狀態(tài)對于了解核電站運(yùn)行狀況、能否延長安全使用時間以及延長多久是至關(guān)重要的。

據(jù)研究人員說，這套新型系統(tǒng)是基于激光原理，利用了瞬態(tài)光柵光譜學(xué)技術(shù)，通過激光束探測材料表面的微小變化以及物理性質(zhì)的變化，例如材料的彈性和熱擴(kuò)散率等，從而揭示材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的細(xì)節(jié)，并且不會對被測材料產(chǎn)生損傷或者其他改變。

瞬態(tài)光柵光譜學(xué)技術(shù)其實(shí)在早些時候就已被開發(fā)出來，但一直未被用來研究輻射損傷的影響，如材料在不開裂的情況下導(dǎo)熱能力和應(yīng)力的變化情況。對這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行調(diào)整和創(chuàng)新，使其能夠在具有輻射的惡劣環(huán)境下對材料進(jìn)行研究經(jīng)歷了很多年的發(fā)展歷程。

為了模擬中子轟擊的效果，研究人員通常會使用離子束（中子轟擊是導(dǎo)致反應(yīng)堆環(huán)境中大部分物質(zhì)降解的輻射類型），離子束會產(chǎn)生類似的效果且更容易控制，也更安全。因此，研究團(tuán)隊(duì)采用了桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的一個6兆伏特離子加速器作為新系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它可以在短短幾個小時內(nèi)模擬長年暴露在中子轟擊環(huán)境中的影響。

麻省理工學(xué)院的博士研究生Cody a. Dennett解釋道：“通過使用該系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控能力，可以精確地確定材料的物理變化開始加速的時間，這種加速往往發(fā)生得相當(dāng)突然，而且進(jìn)展迅速。通過在這一時間點(diǎn)停止實(shí)驗(yàn)，就有可能詳細(xì)研究在這個關(guān)鍵時刻到底發(fā)生了什么。這讓我們能夠找出這些結(jié)構(gòu)性變化背后的原因和機(jī)理”。

麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程教授Michael P. Short說道：“該系統(tǒng)可以在幾個小時內(nèi)對給定材料的性能進(jìn)行詳細(xì)的研究，而在其他情況下，這可能需要幾個月的時間才能完成第一次的迭代實(shí)驗(yàn)，從而找到材料開始退化的時間點(diǎn)。對于一個完整的特征描述，使用新系統(tǒng)可能只需要一天的時間，而使用傳統(tǒng)方法則可能需要半年甚至更久”。

“該系統(tǒng)利用激光束刺激材料振動，然后用第二束激光觀察材料表面的振動，直接探測材料的彈性剛度和熱性能”，Denneet進(jìn)一步解釋道：“這種測量可以用來推斷其他相關(guān)特征，包括缺陷和損傷累積等。它們可以告訴你關(guān)于材料變化的潛在機(jī)制的東西，這才是最重要的”。

研究人員還透露，在對該系統(tǒng)進(jìn)行測試的過程中使用了兩種純金屬——鎳和鎢。但其實(shí)該設(shè)備可以用來測試各種合金和純金屬，也可以測試許多其他種類的材料。Denneet說道：“令我們非常興奮的原因之一是，當(dāng)我們在科研會議上描述這種方法時，與我們交談過的每個人都會問，‘能在我的材料上試用一下嗎?’每個人都知道如果這套系統(tǒng)可以測試自己的特殊材料意味著什么，一旦可以測試，他們就可以在研究中更快地取得進(jìn)展”。

現(xiàn)在，這個新型的設(shè)施正在桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室里運(yùn)行，研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行的工作主要是進(jìn)一步提高其檢測能力。Denneet表示未來希望能增加更多不同的診斷工具來探測照射過程中材料的更多特性。

佐治亞理工學(xué)院(Georgia Tech)負(fù)責(zé)學(xué)術(shù)事務(wù)的教授兼副院長Laurence J. Jacobs雖然沒有參與這項(xiàng)研究，但對該項(xiàng)目高度贊揚(yáng)。“這項(xiàng)工作是一種非常好的工程方法，是一項(xiàng)關(guān)于非接觸式、無損檢測技術(shù)的杰出研究，可以讓研究人員實(shí)時、現(xiàn)場監(jiān)測材料在離子束照射下的力學(xué)性能變化，表征出各種材料對輻射損傷的反應(yīng)特征”。

這種新型系統(tǒng)兩年來經(jīng)過廣泛的測試，已經(jīng)準(zhǔn)備好供研究人員廣泛使用，可用于輔助開發(fā)下一代反應(yīng)堆的新材料，或幫助研究人員更好地理解在反應(yīng)堆容器內(nèi)的惡劣輻射環(huán)境下，材料是如何隨著時間的推移而降解的，進(jìn)而指導(dǎo)技術(shù)人員更好的延長現(xiàn)有反應(yīng)堆的安全使用壽命。該技術(shù)成果已發(fā)表在《Nuclear Instruments and Methods》期刊上。

作者：David L. Chandler
來源：phys.org
譯者：Vince
參考文獻(xiàn)：Cody A. Dennett et al. Real-time thermomechanical property monitoring during ion beam irradiation using in situ transient grating spectroscopy, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms (2018). DOI: 10.1016/j.nimb.2018.10.025