根据美国核能研究所的数据，2013年核能发电量占美国总用电量的19.4%，即789.0万亿千瓦时。然而，过去25年来，核能对美国电网的贡献率一直徘徊在19%-20%左右。

这种停滞不前可能部分源于人们对当前核燃料循环安全性和实用性的担忧，而核燃料循环是核电站发电的核心。

核燃料有多种形式，其中许多被加工成陶瓷燃料颗粒。美国目前运行的99座反应堆消耗大量的核燃料芯块——典型的核电站每年会产生20公吨的乏核燃料——因为每个反应堆几乎每年都必须移除和更换这些燃料。

[查看美国国家能源研究所 (NEI) 的精彩交互式图表，了解更多关于核燃料生产的信息， （此处似有缺失，原文似乎有误）

燃料使用量增加意味着需要投入更多前期成本，包括新材料和人力来为核电站重新装填新燃料，但这也意味着安全储存乏核燃料的成本和物流挑战也会增加。

据美国国家能源研究所 (NEI) 称，在一个典型的 1000 MWe 反应堆中，如果燃料更换周期为 18 个月，则重新装填核燃料的成本高达 4000 万美元。因此，延长燃料使用寿命可以节省大量资金，提高核电站的效率和产量，并提高核能的安全性。也许——只是也许——这些改变可以让核能摆脱 20% 的低谷。

美国化学学会 (ACerS) 成员、加州大学戴维斯分校材料科学教授 Ricardo Castro 及其同事团队的最新研究为纳米材料在辐照下的行为提供了重要见解。

美国化学学会成员、加州大学戴维斯分校的 John Drazin 和 Terry Holesinger 以及 Blas 还包括美国化学学会成员、加州大学戴维斯分校的 John Drazin 和 Terry Holesinger 以及洛斯阿拉莫斯国家实验室的Blas Uberuaga。其他作者包括加州大学戴维斯分校的Sanchita Dey和洛斯阿拉莫斯大学的Yongqiang Wang。

该团队专门研究了纳米晶核燃料与微晶核燃料的比较。尽管由相同的材料组成，纳米晶和微晶样品由于晶粒尺寸不同而存在显著差异，团队发现这一特征对材料辐照后的性能有很大影响。

尽管先前的研究怀疑纳米晶陶瓷比相同材料的块体（微晶）样品更耐辐射，但该团队最新发表的研究证实了这些猜测，更重要的是，它揭示了这种现象发生的机制——通过减少点缺陷的积累。

点缺陷通常在辐照后在材料中形成。然而，核燃料内部缺陷的积累会对其行为和性能产生负面影响，从而直接影响其潜在的生命周期。因此，减少缺陷的积累将延长核燃料的寿命。

Castro 及其团队精确研究了缺陷在辐照后的演变过程，测量了 10 mol% 氧化钇稳定氧化锆的微晶和纳米晶样品中单个缺陷的位置和迁移情​​况。据 Castro 介绍，该团队之所以使用氧化锆，是因为它的结构与核燃料二氧化铀相似。

“我们在纳米晶样品中观察到的损伤很小，而在微晶样品中观察到的损伤则很严重。”也就是说，纳米材料在辐射过程中积累的缺陷更少，是提高核燃料寿命的关键因素。”

“由于缺陷越多，寿命越短，因此与普通微晶燃料相比，纳米晶二氧化铀燃料的寿命可以预期更长，”Castro 说道。

纳米晶样品中的缺陷数量不仅明显较少，而且缺陷类型也不同。

缺陷可以是增益或损失：增益，或填隙缺陷，是指原子在晶体结构中创造出不应被占据的空间；损失，或空位，是指晶体结构中应被填充的原子空位。

研究小组发现，微晶样品同时存在填隙缺陷和空位缺陷，而纳米晶样品只积累空位，这些空位会聚集在一起以最小化能量。

这种区别为理解这些材料中缺陷减少的机制提供了重要的见解。

“在纳米晶样品中，由于晶粒较小，缺陷‘找到’边界的概率要高得多，”Castro 解释说。“边界是间隙原子的稳定吸收点，但产生的空位由边界和体相共享，因为它们可以在体相中形成亚稳态团簇（实际上找到了边界）。”

为了证实边界确实起到了吸收纳米晶样品中缺陷的作用，科学家们仅在辐照后测量了纳米晶样品的晶粒生长情况。

卡斯特罗解释说，尽管出于对损坏的考虑和安全预防措施，核燃料通常在一年内更换，但测试材料所受的辐射量相当于反应堆4.5年的使用寿命。

“由于氧化锆也具有结构应用，因此研究结果也可用于预测[核燃料储存条件下的]纳米效应，例如堆芯筒和干铸件的抗辐射能力比微晶样品要长得多。”

这篇开放获取论文名为“纳米晶陶瓷的辐射耐受性：来自氧化钇稳定氧化锆的洞察”（DOI：10.1038/srep07746）。

原文链接