核反應堆中使用的棒狀元件由先進材料制成，必須具有耐熱和耐輻射的能力。(照片：Adobe Stock)

從基于裝載精油的納米復合材料的活性食品包裝到輻射接枝的高吸水性聚合物，輻射處理的先進材料在減少食物浪費、提高農業績效、改善醫療保健等方面發揮著越來越重要的作用。

除了重量輕且易于制造外，使用核技術改性的先進材料還具有增強的性能和耐用性。包括加速器在內的輻射技術加強了它們的地位，并通過許多應用促進了可持續發展。

先進材料的使用

為了創造先進的材料或改進高性能材料的生產，一些輻射輔助工藝現在已經在工業中得到了很好的建立和實施。例如，暴露于輻射的塑料或橡膠的適用性提高，可以生產各種材料，例如用于建筑物中循環水和加熱流體的耐熱和耐壓塑料管。

國際原子能機構放射性同位素產品和輻射技術科科長塞琳娜·霍拉克說：“用輻射生產的高性能材料無處不在。” “它們存在于變得更堅固、更安全的日常物品中。其中一些材料甚至用于使您的生活方式更加可持續。”

輻射加工還應用于干燥或硬化無溶劑油漆、油墨和涂料，并提高生物基和可生物降解包裝材料的強度、耐溫性和不滲透性。具有原位產生的銀納米顆粒的多孔陶瓷現在在各個國家用于農村社區的水凈化。

先進材料在氣候變化背景下的好處

在應對氣候變化的同時滿足不斷增長的能源需求需要進一步發展可再生能源的生產、儲存和回收。“輻射技術非常適合為燃料電池技術制造特定任務的膜和塊狀復合材料，以更有效地生產可再生能源，”蘭斯香檳-阿登大學教授 Xavier Coqueret 說。他說，輻射預處理可用于改善木質纖維素生物質或通過先進的光伏技術轉換陽光能量。

為了解決另一個環境問題，即全球塑料廢物負擔，Coqueret 說，在設計先進的塑料和復合材料產品時需要使用輻射的有效回收方法，否則這些產品將無法通過傳統方法重復使用。

輻射對先進材料的影響

堅固、彈性和耐用的材料在一般工業中至關重要，但在核部門尤其重要，因為反應堆的安全性和燃料循環操作的可行性取決于所使用的材料。對于核反應堆中的材料，最大的兩個挑戰是熱量(由冷卻系統解決)和輻射。

“核反應堆內部的結構材料會受到快中子的破壞，快中子會將原子從位置上撞出并以氣體的形式產生氫氣或氦氣。這最終會導致膨脹、產生空洞以及限制其最終服役壽命的各種其他結構和機械變化，”國際原子能機構的核物理學家伊恩·斯溫森說。“因此，測試材料的輻射測試是必不可少的，加速器可以幫助更廣泛地進行測試。”

帶電粒子在穿過材料的旅程結束時會失去大部分能量，從而造成重大但局部的損壞。出于這個原因，研究人員計劃使用來自離子束加速器的帶電粒子測試未來核反應堆的候選材料。

“使用加速器測試材料比使用反應堆更快，”斯溫森說，并解釋說使用加速器可以在一天內完成的工作可能需要一年時間才能使用高通量測試反應堆。通常情況下，樣品不會變成放射性的，受損區域可以用顯微鏡技術仔細切片和檢查。

2016 年，斯溫森幫助組織了一個為期五年的國際原子能機構協調研究項目，其中相同材料的樣品被分發到多個加速器設施進行輻照，在相同的條件下，以及俄羅斯聯邦的 BOR-60 快研究反應堆進行比較. 輻照后分析將有助于提高加速器設施之間的現場重現性，并闡明加速器如何篩選出性能不佳的材料。

2022 年 8 月，原子能機構舉行了第二次國際輻射科學與技術應用會議(ICARST-2022)，以探討這些問題并突出應用和電離輻射的發展。該會議除其他主題外，重點關注先進材料特定領域的進展和當前技術或經濟限制，并幫助審查完善的輻射工藝在改進材料性能方面取得的成就。