混凝土中的石英晶体在中子辐射下表现出自愈特性

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混凝土中的石英晶体在中子辐射下表现出自愈特性

进行实验的捷克共和国LVR-15研究堆的平面图。红色方块代表团队放置实验样品和其他设备的位置。

一段时间以来,辐射对混凝土结构完整性的影响已经得到认可,特别是在核反应堆的背景下。然而,直到现在,起作用的具体机制以及辐射如何影响材料的长期稳定性在很大程度上仍未被探索。东京大学等大学的研究人员公布了新发现,有助于阐明中子辐射对混凝土的影响,以及其特性在不同辐射剂量和速率下如何变化。

这项发表在《核材料杂志》上的研究揭示了混凝土在核环境中性能的一个有趣方面:虽然辐射引起的降解的某些方面令人担忧,但其他方面表明混凝土可能比以前想象的更具弹性。具体来说,石英晶体是混凝土中使用的岩石骨料的主要成分,似乎具有在某些条件下自我修复的能力,从而有可能延长核反应堆的运行寿命。

这些发现特别及时,因为核电被认为是实现碳中和世界的基石之一。然而,核电站的安全性和寿命——尤其是其结构部件——仍然是至关重要的问题。随着人们越来越呼吁提高核反应堆的可靠性、成本效益和整体安全性,这项新研究提供了可以减轻一些担忧并促进更多人接受核能的见解。

了解混凝土在核安全中的作用

混凝土是一种复合材料,由各种化合物组成,包括水泥、骨料和水。它的耐用性和强度使其成为建造核反应堆和其他关键基础设施的首选材料。多年来,人们进行了广泛的研究,以更好地了解该材料的特性,例如其抗压强度、弯曲性能以及它对温度和湿度的反应。

然而,直到现在,混凝土在中子辐射下降解的具体方式还没有得到彻底的探索。核反应堆发射的中子辐射可以穿透混凝土并导致其分子结构发生变化。随着时间的推移,这种降解过程可能会损害反应堆建筑和其他关键部件的结构完整性。因此,有必要了解混凝土在受到辐射时的表现,特别是在需要保持运行数十年的核电站的长期背景下。

探索石英晶体在混凝土中的作用

该团队由东京大学建筑系的丸山一平教授领导,专注于混凝土成分的一个特定方面:材料中使用的岩石骨料中存在的石英晶体。石英是一种由二氧化硅制成的矿物,是许多类型混凝土的关键成分。由于中子辐射与晶体结构相互作用,研究石英在辐射下的行为对于了解对混凝土的更广泛影响至关重要。

在他们的研究中,丸山和他的团队利用 X 射线衍射来分析辐照的石英晶体,这使他们能够检查材料在暴露于不同剂量的中子辐射时如何变化。他们的发现既令人惊讶又具有启发性:中子辐射对石英晶体的影响不仅取决于接收到的总剂量,还取决于辐射的传递速率。

通量和剂量:辐射引起的降解的关键因素

研究人员确定了辐射引起的降解的两个关键因素:中子辐射的总剂量和暴露率,称为通量。总剂量是指材料吸收的累积辐射量,而通量是指辐射的传递速度。

乍一看,人们可能会认为较高的总辐射剂量会对材料造成更大的损害。然而,研究小组发现,剂量率(即辐射传递的速度)在石英晶体的膨胀和降解中起着重要作用。具体来说,当剂量率较高时,石英晶体的膨胀量要大得多。这种现象类似于太阳辐射影响人体皮肤的方式:最好长时间以较低的强度暴露在阳光下,而不是在短时间内暴露在高剂量的辐射下。

简而言之,快速暴露于高剂量辐射会对石英的晶体结构造成更直接的损害,从而导致晶体化——晶体结构破裂并变得无序的过程。然而,当辐射暴露分散在较长时间内时,晶体有更多的时间恢复,膨胀量也不那么明显。

石英晶体的自愈特性

也许最令人惊讶的发现是石英晶体在中子辐射下的自愈特性。当石英晶体以较慢的速度暴露在中子辐射下时,膨胀的晶体结构开始收缩或恢复,恢复到更接近其原始形态。这种现象表明,在某些条件下,混凝土可能会“治愈”中子辐射造成的一些损害。

这种自我修复行为可能对核反应堆的寿命产生重大影响。如果混凝土的石英晶体能够从辐射引起的膨胀中恢复,那么混凝土随着时间的推移而退化可能不会像以前想象的那么严重。这可能会使反应堆运行的时间比最初预期的更长,从而减少频繁维修和更换的需要。

更大的晶体和抗辐射性

除了石英的剂量率和自修复特性外,丸山和他的团队还发现,混凝土中矿物晶体的大小在材料对中子辐射的反应中起着重要作用。具体来说,较大的石英晶体在辐射下的膨胀程度较小。这表明混凝土中矿物晶体的大小可能会影响其对辐射损伤的整体抵抗力。

这一发现可以为未来有关具体设计的决策提供信息,特别是在核电站的背景下。通过选择具有较大矿物晶体的骨料,工程师可能能够增强反应堆建筑和其他关键结构中使用的混凝土的抗辐射性。

未来之路:挑战与机遇

虽然该团队的发现很有希望,但要充分了解中子辐射如何影响混凝土,仍有一些挑战需要克服。未来的主要目标之一是开发更精确的模型来预测混凝土在不同辐射剂量、辐射率和环境条件下的行为。

Maruyama 和他的团队还旨在扩大他们的研究范围,以研究除石英之外的其他造岩矿物如何对中子辐射做出反应。这种更广泛的分析可以帮助我们加深对混凝土整体降解过程的理解,并改进对其长期耐久性的预测。

此外,该团队正在努力更好地了解由于矿物膨胀而在混凝土中形成裂缝的情况。这些知识可用于改进未来核电站的材料选择和混凝土结构的设计,确保它们能够承受中子辐射在长时间运行中带来的挑战。

对未来核电和太空探索的影响

除了对核能的影响外,这项研究还可以在其他领域得到应用,例如太空探索。正在考虑将混凝土材料用于外星建筑,包括在月球或火星上建造的结构。了解混凝土和其他无机材料在宇宙辐射和太阳辐射普遍存在的太空环境中如何响应辐射对于确保天基基础设施的稳定性和寿命至关重要。

通过应用从这项研究中获得的见解,工程师和科学家可以为地球上的核电站和地球以外的潜在太空栖息地设计更耐用的材料。

结论

最近在了解中子辐射如何影响混凝土方面取得了突破,这代表着在提高核电站的安全性、耐用性和寿命方面向前迈出了重要一步。虽然仍有许多挑战需要解决,但混凝土中的石英晶体在某些条件下有可能自我修复的发现为核能的未来开辟了令人兴奋的可能性。

随着世界继续关注碳中和以及核电在实现这一目标方面可以发挥的作用,此类研究对于确保核反应堆在未来几十年保持安全、可靠和高效至关重要。此外,从研究混凝土对辐射的反应中获得的见解也可能为材料科学的创新铺平道路,这些创新扩展到核领域之外,包括太空探索及其他领域。

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