麻省理工学院研究人员开发出一种技术，可实时、三维地监测核反应堆环境内的腐蚀、开裂等材料失效过程，助力设计更安全的核反应堆，提升发电和海军舰艇推进等应用的性能。

实验中，研究人员用强大X射线模拟中子与核反应堆内物质相互作用行为。他们发现，在材料和基底间添加二氧化硅缓冲层，并延长材料在X射线束下的停留时间，可提高样品稳定性，实现实时监测材料失效过程。通过重建三维图像数据，能设计出更具弹性的材料，更好承受核反应堆内部辐射压力。

“如果我们能改进核反应堆材料，就能延长反应堆寿命，更充分地利用核反应堆。此技术可突破对材料实时失效机制的理解。”核科学与工程系(NSE)教授、电气工程与计算机科学系(EECS)及麻省理工学院施瓦茨曼计算学院任职的Ericmoore Jossou说。Jossou是该技术研究的资深作者，与他共同撰写论文的还有NSE博士后David Simonne、NSE研究生Riley Hultquist、欧洲同步加速器的Jiangtao Zhao以及同步加速器SOLEIL的Andrea Resta，研究发表在《Scripta Materiala》杂志上。

“只有这项技术，才能在腐蚀过程中以纳米级分辨率测量应变。目标是将这些新颖想法带给核科学界，同时将同步加速器用作X射线探测器和辐射源。”西蒙补充道。

研究先进核反应堆材料实时故障一直是Jossou研究小组的目标。通常，研究人员只能在事后通过移除材料并使用高分辨率仪器成像来了解材料故障。Jossou表示，若能观察整个过程，就能追踪材料从开始到失效的情况，更好理解材料。

研究人员通过向样本发射高度聚焦的X射线束模拟核反应堆内部环境，使用的是全球少数实验设施才有的特殊高强度X射线。为进行实验，他们研究了添加到先进核反应堆常用合金中的镍，启动X射线设备前需准备样品。

研究人员采用固态脱湿工艺，将材料薄膜放在基板上，在炉中加热到极高温度直至转变为单晶。Jossou称，原以为制作样品轻而易举，实则不然。镍加热时与硅基底相互作用形成新化合物，破坏实验。经反复试验，发现添加二氧化硅薄层可阻止反应。

但晶体在缓冲层上形成时会受到很大应变，导致晶体结构扭曲。相位恢复算法通常可实时恢复晶体的3D尺寸和形状，但材料应变过大时会失败。不过，研究小组发现，因硅缓冲层存在，长时间照射样品会使应变缓慢释放。几分钟X射线照射后，样品足够稳定，可利用相位恢复算法精确恢复晶体三维形状和尺寸。

“以前没人能做到这一点。现在能制造出这种晶体，就能在与核反应堆内部相似的条件下，实时成像腐蚀等电化学过程，以三维方式观察晶体失效过程，将产生深远影响。”Jossou说。

研究人员尝试不同基底，发现只有二氧化硅缓冲的硅晶片能产生这种效果。微调实验时，他们还发现可利用X射线束精确控制材料中的应变量，这对微电子学发展可能产生影响。在微电子领域，工程师常引入应变改变材料晶体结构以增强其电学或光学特性。Jossou补充道，利用此技术，工程师可在制造微电子器件时用X射线调整其应变，相当于“花一份钱得两份结果”。

未来，研究人员希望将该技术应用于更复杂的材料，如核反应堆和航空航天应用中的钢和其他金属合金，还想观察改变二氧化硅缓冲层厚度如何影响控制晶体样品应变的能力。

伦斯勒理工学院副教授Edwin Fohtung(未参与此项研究)表示，这一发现意义重大，一是为纳米材料如何响应辐射提供了基础见解，对能源技术、微电子学和量子材料日益重要;二是强调了基底在应变松弛中的关键作用，表明支撑表面可决定粒子在暴露于聚焦X射线束时是保持还是释放应变。