暴露于中子輻射的材料往往會遭受嚴重破壞，導致固定核廢料或核電廠限制所涉及的遏制挑戰(zhàn)。在納米尺度上，這些入射中子與材料的原子碰撞，然后這些原子相互碰撞，有點類似于臺球。由此產生的無序原子網絡及其物理特性類似于某些玻璃材料中所見，這使得該領域的許多人將其用于核研究。

但根據(jù)AIP出版社“化學物理學報”本周報道的新結果，材料之間的相似性可能沒有以前想象的那么有用。

玻璃狀物質的無序原子網絡是由玻璃化，物質通過熔化和(通常)快速后續(xù)冷卻而轉化為玻璃而產生的。在這種冷卻或淬火過程中，原子沒有時間以有組織的方式沉降，而是形成無序的原子網絡。這導致加州大學洛杉磯分校(UCLA)和橡樹嶺國家實驗室的一組研究人員探討了這樣一個問題：輻射和玻璃化對材料的原子結構有相同的影響嗎?

為了找到答案，他們探索了石英，這是一種簡單而無處不在的自然材料，用于無數(shù)的工程應用。

傳統(tǒng)實驗不允許研究人員直接“看到”原子，特別是在無序材料中。因此，對于他們的研究，該小組依靠使用分子動力學技術的原子模擬。

“分子動力學技術基于數(shù)值解決牛頓運動定律的一組相互作用的原子，”加州大學洛杉磯分校土木與環(huán)境工程系助理教授馬蒂厄·鮑奇說。“所有原子相互施加一個力，可以用來計算每個原子隨時間的加速度。”

基于這種技術，他們能夠通過順序地將網絡原子與虛構的入射中子碰撞來模擬輻射引起的石英無序化。

“我們還通過加熱和快速淬滅原子來模擬石英的玻璃化，”Bauchy說。“最后，我們比較了這兩種無序材料的原子結構。”

他們發(fā)現(xiàn)了驚人的差異。

“出乎意料的是，我們發(fā)現(xiàn)輻射引起的無序性與玻璃化引起的無序性有所不同，”Bauchy說。“這是非常令人驚訝的，因為玻璃和重度照射的材料通常具有相同的密度，因此玻璃通常用作模擬材料輻射暴露效果的模型。”

相比之下，研究人員的結果表明輻照材料比玻璃更無序。“輻照材料的原子結構實際上更接近于液體的原子結構，而不是玻璃的原子結構，”Bauchy說。

該小組的研究結果可能對核應用材料的選擇產生嚴重影響。

“首先，我們認為目前的模型可能低估了輻照材料所表現(xiàn)出的損傷程度，這引起了明顯的安全問題，”加州大學洛杉磯分校的博士后研究員NM Anoop Krishnan說。“其次，輻射和玻璃化引起的無序化的不同性質表明，眼鏡也會受到輻射的影響。”

這是一個重大發(fā)現(xiàn)，因為被認為在輻射下“自愈”的玻璃通常用于通過玻璃化固定核廢料。

“這些廢物形式一旦存入地質處置庫，預計將保持穩(wěn)定數(shù)百萬年，因此我們對輻射影響缺乏了解是一個真正的問題，”克里希南說。

接下來，該小組計劃探討輻照對核電廠混凝土和核廢料固定化玻璃中常見聚集體的影響。“最終，我們的目標是開發(fā)新型模型來預測輻照對材料結構和性質的長期影響，”Bauchy說。