核反應堆無論是舊設計還是新設計，都大量使用石墨，因為它是關鍵組件之一。同時，石墨也是在反應堆中因輻射而變形的成分之一。這些變化的原因難以研究，然而麻省理工學院的科學家們現在已經發現了這種非金屬的特性與其在輻射下的行為之間的聯繫。麻省理工學院的科學家及其合作者表示，這一發現可能導致更準確的方法來預測全球核反應堆中使用的石墨的壽命。研究科學家Boris Khaykovich表示：「我們進行了一些基礎科學研究，以了解導致石墨結構膨脹和最終失效的原因。」Khaykovich補充說，雖然在這一主題上還需要更多研究，但這一想法並不需要破壞數百個受輻射樣本來了解它們的失效點。
石墨在核反應堆中的應用主要是用於減慢中子的速度，以便進行受控的鏈式反應。它的最主要應用是作為中子減速劑和反射器。石墨是一種良好的中子減速劑，可以減慢核裂變釋放的中子，使它們更有可能引發進一步的裂變並維持鏈式反應。石墨在1942年世界首個核反應堆建設時作為關鍵元素使用，當時的芝加哥堆使用了約40,000塊石墨塊。至今，石墨仍然是核反應堆的關鍵組件，最近的一份報告指出，它約占反應堆建設成本的三分之二。此外，它還被認為在未來的反應堆設計中，如熔鹽反應堆和高溫氣體反應堆中，扮演著重要角色。
儘管石墨的清潔生產工藝已經為人所知，但在核反應堆中的使用仍然存在複雜性。Khaykovich表示：「我們稱石墨為複合材料，儘管它僅由碳原子組成。」石墨包含了更晶體化的「填充顆粒」，以及一種稱為「粘結劑」的矩陣，它的晶體結構較低，還有從納米到微米的孔隙。每種等級的材料擁有其自身的複合結構，但在不同的尺度下，它們的形狀可能看起來相同。這些複雜性使得預測某一特定石墨塊在輻射下的行為變得困難。通常，在輻射作用下，石墨會變得密實，體積減少高達10％，隨後出現膨脹和裂縫。
科學家們從橡樹嶺國家實驗室（ORNL）獲取了受輻射的樣本，並使用一種稱為X射線散射的分析技術。這一過程涉及利用X射線束的散射強度來分析材料的特性。此前，對石墨樣本使用過分形模型，但未針對受輻射樣本進行過研究。他們利用這一技術來觀察樣本中孔隙的大小分佈和表面面積。麻省理工學院的研究發現，在石墨首次暴露於輻射時，隨著材料的降解，其孔隙被填充。「令我們感到驚訝的是，孔隙的大小分佈會回復過來，」麻省理工學院的研究科學家Sean Fayfar表示。「我們發現這一恢復過程與整體體積變化圖形相匹配，這是相當奇怪的。似乎在石墨受輻射一段時間後，它會開始恢復，這是一種退火過程，會形成一些新孔隙，然後這些孔隙會變得更光滑並稍微變大。這是一個重大的驚喜。」
科學家們發現，孔隙的大小分佈與輻射損傷引起的體積變化密切相關。Khaykovich補充說，發現孔隙大小分佈與石墨體積變化之間的強相關性是新的發現。「了解在應力下石墨部件如何失效以及輻射下失效概率如何變化是非常重要的。」該團隊現在計劃研究其他石墨等級，並探討受輻射石墨中的孔隙大小如何與失效概率相關。他們推測，名為Weibull分佈的統計技術可能被用來預測石墨的失效時間。此外，這些發現也可能有助於理解其他材料在輻射下為何會變密實和膨脹。這項開放獲取的研究論文已發表在《跨學科材料》期刊上。
