美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory, ORNL）的研究人員針對一個長期存在的問題給出了明確的答案：石墨塊內部微小的自然孔隙並不會影響其作為核反應堆關鍵組件的性能。這一研究結果發表在《碳》（Carbon）期刊上，為下一代核反應堆的設計和安全性提供了更大的信心。石墨自1942年芝加哥堆-1（Chicago Pile-1）首次使用以來，一直在核反應堆技術中發揮著關鍵作用，許多全球各地的核反應堆依賴石墨作為中子調節劑或反射器。石墨的卓越性能使其能夠在極端高溫下穩定運行，並有效減緩中子的速度，這一過程稱為調節。這使得石墨成為維持受控核鏈反應的理想材料，對於下一代系統，如超高溫反應堆（VHTRs）和熔融鹽反應堆（molten salt reactors）尤其重要。
在長期的討論中，石墨的製造過程形成了複雜的內部結構，充滿了微小的裂紋和空隙，科學家們對這些孔隙如何影響石墨的基本特性展開了數十年的辯論。ORNL的研究證實，這些不完美之處並不會擾亂石墨內部的原子振動，而這些振動對於石墨與中子的相互作用至關重要。這一結果不僅強化了模擬反應堆行為的基礎，還向設計者保證，石墨將如預期般發揮其作用。研究人員表示，這項工作突顯了將尖端建模技術與世界級設施如脈衝中子源（Spallation Neutron Source）和高通量同位素反應堆（High Flux Isotope Reactor）相結合的力量，以解決核能領域中一個重要的複雜問題。
在這一問題的核心是如何正確地在核數據庫中建模孔隙率，這對於反應堆模擬至關重要。以往模型通過隨機移除完美石墨晶體結構中的原子來處理孔隙率。然而，ORNL團隊的研究顯示，這種方法在物理上是錯誤的，因為它會在材料的模擬振動特性或聲子譜中創造出人工的扭曲。通過結合精確的非彈性小角中子散射實驗與新型機器學習原子勢，研究人員證明了孔隙周圍的實際晶體結構保持有序。
在多孔石墨中觀察到的中子散射增加並不是由於振動扭曲，而是由於中子在孔隙表面散射，這一現象稱為小角中子散射（Small-Angle Neutron Scattering, SANS）。研究發現，以前的錯誤模型導致了關鍵性計算中的顯著偏差，造成了對反應堆有效中子倍增因子（keff）的人工高估。研究人員在研究中強調，這項工作明確證明了核石墨的內在孔隙率對其基本的中子調節行為沒有顯著影響，這一點與長期以來的假設相悖。通過用準確考慮SANS物理的模型替換這一錯誤模型，研究團隊證明了孔隙率對反應堆物理或臨界安全的影響微乎其微。這一修正的理解對於依賴石墨的當前和未來反應堆的安全性和設計評估至關重要，包括熔融鹽反應堆和超高溫反應堆。
