德克萨斯A&M大学科学家的新研究可能有助于在不久的将来提高核电站的效率。通过使用基于物理的建模和先进的模拟相结合，他们发现了导致核反应堆辐射损害的关键潜在因素，而这可以为设计更多的耐辐射高性能材料带来启示。
“反应堆需要在更高的功率下运行或更长时间地使用燃料以提高其性能。但在这些设置下，磨损的风险也会增加，”核工程系助理教授Karim Ahmed博士说道，“因此，现在迫切需要提出更好的反应堆设计，而实现这一目标的方法是优化用于建造核反应堆的材料。”
这项研究的结果发表在《Frontiers in Materials》上。
根据美能源部的数据，核能在电力输出方面超过了所有其他自然资源，其占了美国发电量的20%。核能的来源是裂变反应，其中铀的同位素在快速移动的中子撞击后分裂成子元素。这些反应产生巨大的热量，因此核反应堆的部件特别是泵和管道，是用具有特殊强度和抗腐蚀性的材料制成。
然而，裂变反应也会产生强烈的辐射，这会导致核反应堆的结构材料发生恶化。在原子层面上，当高能辐射渗入这些材料时它可以将原子从它们的位置上撞开进而造成点缺陷，或迫使原子占据空位形成间隙缺陷。这两种缺陷都会破坏金属晶体结构中原子的规则排列。然后，开始时的微小缺陷逐渐形成空隙和位错环，随着时间的推移则会损害材料的机械性能。
虽然对这些材料在辐射暴露后出现的缺陷类型有一些了解，但Ahmed指出，建立辐射与其他因素如何共同促成缺陷的形成及其增长的模型一直非常艰巨。“挑战是计算成本。在过去，模拟仅限于特定的材料和横跨几微米的区域，但如果领域大小增加到甚至10几微米，计算负荷就会急剧跳升。”
特别是，研究人员指出，为了适应更大的领域尺寸，以前的研究在模拟微分方程的参数数量上做了妥协。然而忽略一些参数而忽略其他参数的不良后果是对辐射损伤的不准确描述。
为了克服这些限制，Ahmed和他的团队在设计他们的模拟时使用了所有的参数，他们没有假设其中一个参数是否比另一个更相关。另外，为了执行现在计算量大的任务，他们使用了德州农工大学高性能研究计算组提供的资源。
在运行模拟时，他们的分析显示，在非线性组合中使用所有的参数会产生对辐射损伤的准确描述--特别是，除了材料的微观结构外，反应堆内的辐射条件、反应堆设计和温度对于预测材料因辐射而产生的不稳定性也非常重要。
另一方面，研究人员的工作还揭示了专门的纳米材料对空隙和位错环的容忍度更高的原因。他们发现，只有当包围同向原子晶体簇的边界或晶界高于临界尺寸时才会引发不稳定。因此，纳米材料以其极细的晶粒尺寸抑制了不稳定性从而变得更耐辐射。
“尽管我们的研究是一项基础理论和建模研究，但我们认为它将帮助核界优化不同类型的核能应用的材料，特别是更安全、更有效和更经济的反应堆的新材料，”Ahmed说道，“这一进展最终将增加我们对清洁、无碳能源的贡献。”