核聚变耐久性在美国首次实现氢铀扫描取得突破

劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员首次观察并描述了氢铀腐蚀的初期阶段。

研究人员在一项新研究中表示：“关键的先进能源项目，如聚变、氢气储存和核燃料，都需要理解金属-氢降解反应。”

“这些知识使氚保持效应能够表征，从而提升聚变能源中面向等离子体的部件耐久性，氢气储存的材料和安全壳可靠性，以及核燃料燃料循环效率和寿命的提升。”

团队采用无损成像技术记录了反应的开始。这些发现将使研究人员能够建立更多预测铀成分随时间降解的模型。

研究补充道：“我们在氢气环境中实现了铀表面的实时跟踪，延长了反应时间，收集了首创的相关降解统计数据，更好地定义并帮助铀降解建模。”

类似于“间歇泉”效应

当氢气与铀金属相互作用时，结合会产生反应性粉末和失控反应。

LLNL科学家Jibril Shittu将这种相互作用比作间歇泉。首先，氢气溶解并扩散到铀金属中。一旦铀无法再储存气体，这两种材料结合形成一种新化合物，称为铀氢化物。

由于铀氢化物占用的体积比原始铀金属更大，内部压力增加。这种压力将材料向上推，在表面形成浅层水泡。最终，水泡破裂，释放出铀氢化物粉末，露出新的金属，加速反应。

“简而言之：吸附、解离、扩散、积累、起水泡、破裂、剥落，”希图评论道。这就是循环，一旦开始，就很难停止。”

追踪反应的起始

历史上，追踪这种反应的起点一直很困难。现场的两种标准监测技术只有在反应充分进行后才有效，初始事件未被记录。

为解决这个问题，LLNL团队采用了白光干涉仪。该方法测量光线在铀表面与参考光束的反射情况，形成一个小型地形图。

该技术不会接触或破坏材料。因此，团队在整个反应过程中反复扫描同一表面，以建立逐帧记录。

数据显示出意料之外的行为：氢化物水泡未出现在模型预测的位置，腐蚀是横向扩散到表面，而非深入金属内部。

可以转到其他领域

团队在新闻稿中指出：“这项工作是在狭窄的温度范围和单一氢气压力和材料状态下完成的。”“下一步是将其扩展到更广泛的病况。”

非接触成像方法还可以应用于其他领域，如研究氢化物超导体的降解或一般工业金属腐蚀。

研究人员总结道：“这一结果将促使对铀成分降解机制的预测性和物理基础模型产生更多。