無論新舊設(shè)計的核反應(yīng)堆，石墨都是關(guān)鍵部件，同時也是因輻射易變形的部件之一。此前，石墨因輻射發(fā)生變化的原因難以研究，不過麻省理工學院的科學家現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)這種非金屬特性與其輻射反應(yīng)之間的聯(lián)系，可更準確預(yù)測全球核反應(yīng)堆中石墨的壽命。

麻省理工學院研究科學家、新研究資深作者鮑里斯·卡科維奇稱，團隊開展基礎(chǔ)科學研究，旨在了解導(dǎo)致石墨結(jié)構(gòu)膨脹并最終失效的原因。他補充說，雖仍需更多研究，但此發(fā)現(xiàn)提出無需分解數(shù)百個輻照樣本就能了解其失效點的想法。

石墨在核反應(yīng)堆中作用重大，主要用于降低受控鏈式反應(yīng)中中子的速度，最大應(yīng)用是作為慢化劑和反射器。它作為良好的中子減速劑，能減緩核裂變釋放的中子，使其更易產(chǎn)生裂變并維持鏈式反應(yīng)。1942年，世界上第一座核反應(yīng)堆在芝加哥大學建成，使用了約4萬塊石墨塊，如今它仍是核反應(yīng)堆關(guān)鍵部件，約占反應(yīng)堆建設(shè)成本的三分之二，且在未來的熔鹽和高溫氣體反應(yīng)堆等設(shè)計中也將發(fā)揮核心作用。

盡管已知清潔制造石墨的方法，但其在核反應(yīng)堆中的應(yīng)用仍有復(fù)雜性。卡科維奇表示，雖石墨僅由碳原子組成，卻可稱其為復(fù)合材料，包含結(jié)晶性更高的“填料顆粒”、結(jié)晶性較低的基質(zhì)“粘合劑”，以及長度從納米到微米級的孔隙。每種等級材料都有自身復(fù)合結(jié)構(gòu)，不同尺度下形狀相同，這些復(fù)雜性使預(yù)測特定石墨塊在輻射下的行為變得困難。通常，石墨輻射后會先致密、體積縮小高達10%，隨后膨脹并開裂。

科學家從橡樹嶺國家實驗室獲取輻照樣品，使用X射線散射分析技術(shù)觀察樣品孔徑和表面積的分布。該技術(shù)利用X射線束的散射強度分析材料特性，此前分形模型雖用于石墨樣品，但從未用于輻照樣品。他們發(fā)現(xiàn)，石墨首次暴露于輻射時，隨著材料降解，孔隙會被填滿。麻省理工學院研究科學家肖恩·費法爾稱，令他們意外的是，孔徑分布會恢復(fù)，且此恢復(fù)過程與整體體積圖相符，石墨長時間輻照后似乎開始恢復(fù)，類似退火過程，會產(chǎn)生新孔徑，這些孔徑會平滑并略微變大。

科學家還發(fā)現(xiàn)，孔徑分布與輻射損傷引起的體積變化非常接近。卡科維奇補充道，發(fā)現(xiàn)孔隙尺寸分布與石墨體積變化之間存在強相關(guān)性是新發(fā)現(xiàn)，了解石墨部件在受力及輻射下失效概率的變化至關(guān)重要。

目前，該團隊計劃研究其他等級的石墨，探索輻照石墨中孔徑與失效概率的關(guān)系，推測可使用威布爾分布統(tǒng)計技術(shù)預(yù)測石墨失效時間。此外，這些發(fā)現(xiàn)還有助于理解其他材料在輻射下致密和膨脹的原因。該開放獲取論文已發(fā)表在《跨學科材料》雜志上。