美國研究人員首次觀察氫與鈾腐蝕的初始階段

美國勞倫斯利物浦國家實驗室 (LLNL) 的研究人員首次觀察並特徵化氫-鈾腐蝕的初始階段。研究人員在一項新研究中表示：「關鍵的先進能源計劃，如聚變能源、氫儲存和核燃料，需要了解金屬-氫降解反應。」他們指出，這一知識能夠幫助特徵化氚滯留效應，以提高聚變能源中面向等離子體元件的耐久性、氫儲存的材料和密封可靠性，以及提高核燃料的燃料循環效率和壽命。

研究揭示氫-鈾腐蝕的初始反應機制

該團隊使用非破壞性成像技術記錄反應的開始。研究結果將使研究人員能夠創建更具預測性的模型，以瞭解鈾成分隨時間的降解情況。研究中提到：「我們實現了在氫環境中對鈾表面進行實時跟蹤，並延長反應時間，以收集首個相關的降解統計數據，這些數據更好地定義並幫助建模鈾的降解。」

當氫氣與鈾金屬相互作用時，這一組合會產生一種反應性粉末和一種失控的反應。LLNL 科學家 Jibril Shittu 將該相互作用比作「噴泉」效應。首先，氫溶解並擴散到鈾金屬中。一旦鈾無法再容納氫氣，兩種材料便會結合形成一種名為氫化鈾的新化合物。由於氫化鈾的體積大於原始鈾金屬的體積，內部壓力隨之增加。這種壓力迫使材料向上推動，形成表面上的淺水泡。最終，水泡破裂，釋放氫化鈾粉末，並暴露出新的金屬，加速反應的進行。

Shittu 指出：「簡而言之：吸附、解離、擴散、累積、水泡、破裂、剝落。這就是循環，一旦開始，就很難停止。」

歷史上，追蹤這一反應的開始一直很困難。該領域的兩種標準監測技術僅在反應已經進行一段時間後才有效，初始事件未能被記錄。為瞭解決這一問題，LLNL 團隊使用了白光干涉法。該方法測量光在鈾表面的反射情況，並與參考光束進行比較，創建出小型的地形圖。這種技術不會接觸或破壞材料。因此，該團隊在整個反應過程中反復掃描同一表面，以建立逐幀記錄。數據揭示了意想不到的行為：氫化物水泡並未出現於模型預測的位置，並且腐蝕是沿著表面水平擴散，而非向金屬深處擴散。

團隊在新聞稿中指出：「這項工作是在狹窄的温度範圍和單一的氫壓及材料狀態下進行的。下一步是擴展至更廣泛的條件。」這種非接觸成像方法也可能轉移到其他領域，例如研究氫化物超導體的降解或一般工業金屬腐蝕。研究人員總結道：「這一結果將促使形成更具預測性和物理基礎的模型，以瞭解鈾成分的降解。」