在核能领域，石墨作为一种古老而又关键的结构材料，始终扮演着不可替代的角色。然而，石墨在辐射环境下的体积变化机制，长久以来一直是科学家们难以攻克的难题。近日，麻省理工学院（MIT）的研究团队携手合作伙伴，在这一领域取得了突破性进展。
石墨，这种由单一碳元素构成的复合材料，以其卓越的中子慢化能力，在核反应堆中发挥着至关重要的作用。从1942年芝加哥大学建造的首座核反应堆“芝加哥一号堆”开始，石墨便成为了核能利用史上的重要角色。时至今日，它不仅是众多现役核反应堆的关键组件，更是新一代反应堆设计，如熔盐堆、高温气冷堆等的核心材料。
然而，石墨在辐射作用下会发生体积的收缩与膨胀，这一过程复杂且难以预测。为了揭示这一机制，MIT的研究团队对石墨材料进行了深入的基础科学研究。他们发现，石墨的内部孔隙尺寸与材料的体积胀缩行为之间存在着密切的关联。这一发现，有望为全球核反应堆用石墨材料的寿命预测提供更为精准、非破坏性的新方法。
石墨虽然看似简约，实则内部构造复杂。它包含结晶度较高的填料颗粒、结晶度较低的粘结剂基质，以及多级孔隙结构。这种复杂性使得石墨在辐照下的体积变化过程难以从微观层面进行精准预测。为了攻克这一难题，研究团队采用了X射线散射技术，对辐照后的石墨样品进行了系统分析。他们首次量化了材料孔隙尺寸与表面积的演变规律，揭示了石墨孔隙结构的分形特征。
研究发现，石墨在初始辐照阶段会出现孔隙填充现象，但随着辐照的持续进行，孔隙尺寸分布会发生逆转性变化。这种变化与整体体积变化曲线相吻合，表明石墨在辐照过程中似乎启动了一种自修复机制。这一发现不仅揭示了辐照下材料失效的深层机制，更为工程师预判石墨构件在辐射应力场中的失效概率提供了重要依据。
MIT的研究科学家Boris Khaykovich表示：“我们进行了一些基础科学研究，以了解导致石墨结构膨胀并最终失效的原因。尽管要将其付诸实践还需要更多研究，但这篇论文已经提出了一个对工业界颇具吸引力的想法。或许，我们无需破坏数百个辐照样品，就能了解它们的失效点。”
研究团队还计划进一步考察其他品级的石墨，深入探究辐照后孔隙尺寸与失效概率的关联机制。他们推测，威布尔分布统计方法或许可以应用于石墨服役寿命的预测。这一发现不仅为石墨材料的研究提供了新的视角，更为未来核反应堆石墨材料的研发与应用奠定了坚实基础。
