在应力作用下对辐照碳化硅进行的二维X射线衍射分析发现了透射电子显微镜下看不到的晶体结构。

图片由橡树岭国家实验室 Takaaki Koyanagi 提供。

科学

未来聚变反应堆缺少的一块拼图是能够承受极端运行条件的结构材料。例如，反应堆被聚变反应产生的中子轰击 . 随着时间的推移，这会削弱反应堆材料。该研究利用能源部 (DOE) 的两个用户设施的能力，调查了碳化硅中累积的辐射损伤。这种材料有望用于聚变反应堆和其他暴露在极高温度下的结构。研究人员首先将材料梁暴露在物理应力下。接下来，他们将光束暴露在高通量同位素反应堆 (HFIR) 中的高温辐射下。然后，他们在国家同步加速器光源-II (NSLS-II) 上使用高能 X 射线衍射检查了由辐射引起的缺陷。结果确定了材料中的原子级变形。这种变形在施加应力的地方最为明显。

影响

这是首次对这种材料的原子结构细节进行实验观察，因为它开始累积辐射损伤。科学家们在之前的研究中无法确定这些原子尺度的细节。早期的工作依赖于透射电子显微镜。在比原子尺度大很多倍的纳米尺度上，科学家使用透射电子显微镜只能观察到均匀的缺陷集群。这项新工作中的 X 射线衍射分析可检测缺陷如何因机械应变和辐射而定向。它还可以检测晶体结构中形成的缺陷簇的形状。这些详细信息将帮助 聚变科学家 建立模型来预测材料在未来聚变反应堆中的表现。

概括

高能中子轰击导致聚变反应堆堆芯结构材料的降解是实现核聚变反应堆的最大障碍之一。由于目前没有用于实验材料研究的聚变装置，候选材料的开发和鉴定需要对模拟环境中的降解过程有基本的了解。目前的结果展示了在微观尺度上对辐射损伤的深入检查，研究人员可以在其中看到材料降解的起源。

这项关于辐照碳化硅各向异性损伤结构的同类研究发现是通过橡树岭国家实验室的 HFIR 和布鲁克海文国家实验室的 NSLS-II 的独特能力和专业知识的结合实现的，这两个实验室都是美国能源部科学办公室用户设施。此外，由于辐照诱导降解的常见技术挑战，该研究满足了开发核聚变和裂变反应堆材料的目的。多个研究计划的支持带来了辐照实验、X 射线衍射分析和辐照损伤过程物理学方面的各种专业知识。这项跨领域研究提升了对碳化硅辐射损伤机制的基本理解。

资金

这项研究得到了美国能源部聚变能源科学办公室和纽约州立大学石溪分校研究基金会的支持。这项研究还得到了美国能源部核能办公室、橡树岭国家实验室 (ORNL) 核技术研发计划先进燃料运动和美国能源部核能办公室爱达荷州运营办公室的支持，作为核科学用户设施的一部分实验。这项研究使用了 NSLS-II 的 X 射线粉末衍射光束线，NSLS-II 是由布鲁克海文国家实验室运营的美国能源部科学用户设施。这项研究的一部分使用了 HFIR(由 ORNL 运营的 DOE 科学用户设施办公室)的资源。