麻省理工學院研究人員開發出一種技術，可實時、三維地監測核反應堆環境內的腐蝕、開裂等材料失效過程，助力設計更安全的核反應堆，提升發電和海軍艦艇推進等應用的性能。

實驗中，研究人員用強大X射線模擬中子與核反應堆內物質相互作用行為。他們發現，在材料和基底間添加二氧化硅緩沖層，并延長材料在X射線束下的停留時間，可提高樣品穩定性，實現實時監測材料失效過程。通過重建三維圖像數據，能設計出更具彈性的材料，更好承受核反應堆內部輻射壓力。

“如果我們能改進核反應堆材料，就能延長反應堆壽命，更充分地利用核反應堆。此技術可突破對材料實時失效機制的理解。”核科學與工程系(NSE)教授、電氣工程與計算機科學系(EECS)及麻省理工學院施瓦茨曼計算學院任職的Ericmoore Jossou說。Jossou是該技術研究的資深作者，與他共同撰寫論文的還有NSE博士后David Simonne、NSE研究生Riley Hultquist、歐洲同步加速器的Jiangtao Zhao以及同步加速器SOLEIL的Andrea Resta，研究發表在《Scripta Materiala》雜志上。

“只有這項技術，才能在腐蝕過程中以納米級分辨率測量應變。目標是將這些新穎想法帶給核科學界，同時將同步加速器用作X射線探測器和輻射源。”西蒙補充道。

研究先進核反應堆材料實時故障一直是Jossou研究小組的目標。通常，研究人員只能在事后通過移除材料并使用高分辨率儀器成像來了解材料故障。Jossou表示，若能觀察整個過程，就能追蹤材料從開始到失效的情況，更好理解材料。

研究人員通過向樣本發射高度聚焦的X射線束模擬核反應堆內部環境，使用的是全球少數實驗設施才有的特殊高強度X射線。為進行實驗，他們研究了添加到先進核反應堆常用合金中的鎳，啟動X射線設備前需準備樣品。

研究人員采用固態脫濕工藝，將材料薄膜放在基板上，在爐中加熱到極高溫度直至轉變為單晶。Jossou稱，原以為制作樣品輕而易舉，實則不然。鎳加熱時與硅基底相互作用形成新化合物，破壞實驗。經反復試驗，發現添加二氧化硅薄層可阻止反應。

但晶體在緩沖層上形成時會受到很大應變，導致晶體結構扭曲。相位恢復算法通常可實時恢復晶體的3D尺寸和形狀，但材料應變過大時會失敗。不過，研究小組發現，因硅緩沖層存在，長時間照射樣品會使應變緩慢釋放。幾分鐘X射線照射后，樣品足夠穩定，可利用相位恢復算法精確恢復晶體三維形狀和尺寸。

“以前沒人能做到這一點。現在能制造出這種晶體，就能在與核反應堆內部相似的條件下，實時成像腐蝕等電化學過程，以三維方式觀察晶體失效過程，將產生深遠影響。”Jossou說。

研究人員嘗試不同基底，發現只有二氧化硅緩沖的硅晶片能產生這種效果。微調實驗時，他們還發現可利用X射線束精確控制材料中的應變量，這對微電子學發展可能產生影響。在微電子領域，工程師常引入應變改變材料晶體結構以增強其電學或光學特性。Jossou補充道，利用此技術，工程師可在制造微電子器件時用X射線調整其應變，相當于“花一份錢得兩份結果”。

未來，研究人員希望將該技術應用于更復雜的材料，如核反應堆和航空航天應用中的鋼和其他金屬合金，還想觀察改變二氧化硅緩沖層厚度如何影響控制晶體樣品應變的能力。

倫斯勒理工學院副教授Edwin Fohtung(未參與此項研究)表示，這一發現意義重大，一是為納米材料如何響應輻射提供了基礎見解，對能源技術、微電子學和量子材料日益重要;二是強調了基底在應變松弛中的關鍵作用，表明支撐表面可決定粒子在暴露于聚焦X射線束時是保持還是釋放應變。