新研究或將有助於在不久的將來提高核電站效率

德克薩斯A&M大學科學家的新研究可能有助於在不久的將來提高核電站的效率。通過使用基於物理的建模和先進的模擬相結合,他們發現了導致核反應堆輻射損害的關鍵潛在因素,而這可以為設計更多的耐輻射高性能材料帶來啟示。

“反應堆需要在更高的功率下運行或更長時間地使用燃料以提高其性能。但在這些設置下,磨損的風險也會增加,”核工程系助理教授Karim Ahmed博士說道,“因此,現在迫切需要提出更好的反應堆設計,而實現這一目標的方法是優化用於建造核反應堆的材料。”

這項研究的結果發表在《Frontiers in Materials》上。

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根據美能源部的數據,核能在電力輸出方面超過了所有其他自然資源,其佔了美國發電量的20%。核能的來源是裂變反應,其中鈾的同位素在快速移動的中子撞擊後分裂成子元素。這些反應產生巨大的熱量,因此核反應堆的部件特別是泵和管道,是用具有特殊強度和抗腐蝕性的材料製成。

然而,裂變反應也會產生強烈的輻射,這會導致核反應堆的結構材料發生惡化。在原子層面上,當高能輻射滲入這些材料時它可以將原子從它們的位置上撞開進而造成點缺陷,或迫使原子佔據空位形成間隙缺陷。這兩種缺陷都會破壞金屬晶體結構中原子的規則排列。然後,開始時的微小缺陷逐漸形成空隙和位錯環,隨着時間的推移則會損害材料的機械性能。

雖然對這些材料在輻射暴露后出現的缺陷類型有一些了解,但Ahmed指出,建立輻射與其他因素如何共同促成缺陷的形成及其增長的模型一直非常艱巨。“挑戰是計算成本。在過去,模擬僅限於特定的材料和橫跨幾微米的區域,但如果領域大小增加到甚至10幾微米,計算負荷就會急劇跳升。”

特別是,研究人員指出,為了適應更大的領域尺寸,以前的研究在模擬微分方程的參數數量上做了妥協。然而忽略一些參數而忽略其他參數的不良後果是對輻射損傷的不準確描述。

為了克服這些限制,Ahmed和他的團隊在設計他們的模擬時使用了所有的參數,他們沒有假設其中一個參數是否比另一個更相關。另外,為了執行現在計算量大的任務,他們使用了德州農工大學高性能研究計算組提供的資源。

在運行模擬時,他們的分析顯示,在非線性組合中使用所有的參數會產生對輻射損傷的準確描述–特別是,除了材料的微觀結構外,反應堆內的輻射條件、反應堆設計和溫度對於預測材料因輻射而產生的不穩定性也非常重要。

另一方面,研究人員的工作還揭示了專門的納米材料對空隙和位錯環的容忍度更高的原因。他們發現,只有當包圍同向原子晶體簇的邊界或晶界高於臨界尺寸時才會引發不穩定。因此,納米材料以其極細的晶粒尺寸抑制了不穩定性從而變得更耐輻射。

“儘管我們的研究是一項基礎理論和建模研究,但我們認為它將幫助核界優化不同類型的核能應用的材料,特別是更安全、更有效和更經濟的反應堆的新材料,”Ahmed說道,“這一進展最終將增加我們對清潔、無碳能源的貢獻。”