先進材料發展使用的核子技術(20221027)
Anass Tarhi
核反應器中使用的棒狀燃料元件由先進材料製成，必須具有耐熱和耐輻射能力。(照片：Adobe Stock)
從基於載有精油的奈米複合材料的活性食品包裝，到輻射接枝的高吸水性聚合物，經過輻射處理的先進材料在減少食物浪費、提高農業績效及改善醫療保健等方面，扮演著越來越重要的角色。
除了重量輕和易於製造外，使用核子技術改良的先進材料，還具有增強的性能和耐用性。包括加速器在內的輻射技術，加強了它們的地位，並通過許多應用促進了持續性的發展。
先進材料的用途
為了創造先進的材料或改進高性能材料的生產，現在工業中已經建立和實施了幾種很好的輻射輔助工藝。例如，曝露於輻射下的塑料或橡膠的適用性提高，可以生產各種材料，例如，用於建築物中循環水和加熱流體的耐熱耐壓塑料管。
IAEA放射性同位素產品和輻射技術科科長Celina Horak說：“用輻射生產的高性能材料隨處可見”。 “它們存在於變得更堅固、更安全的日常用品中。其中一些材料甚至用於讓您的生活方式更具可持續性。”
輻射加工還應用於無溶劑油漆、油墨和塗料的干燥或硬化，提高生物基和可生物降解包裝材料的強度、耐溫性和抗滲性。含有原位銀奈米顆粒的多孔陶瓷，現在已在各國用於農村社區的水淨化。
先進材料在氣候變化背景下的優勢
在應對氣候變化的同時滿足不斷增長的能源需求，需要進一步發展可再生能源的生產、儲存和回收。“輻射技術非常適合製造用於燃料電池技術特定任務的薄膜和塊狀複合材料，以更有效地生產可再生能源，”蘭斯香檳-阿登大學(University of Reims Champagne-Ardenne)教授Xavier Coqueret說。他說，輻射預處理亦可用於提高木質纖維素生物質，或通過先進的光電技術以轉化太陽能。
為了解決另一個環境問題，即全球塑料廢棄物負擔，Coqueret指出在設計先進的塑料和複合材料產品時，需要使用輻射的有效回收方法，否則這些產品將無法通過傳統方法被重複使用。
輻射對先進材料的影響
堅固、有彈性和耐用的材料在一般工業中至關重要，但在核能領域尤為重要；因為反應器的安全性和核燃料循環運轉的可行性，均取決於所使用的材料。對於核反應器中的材料，兩個最大的挑戰是熱量(可通過冷卻系統來解決)和輻射。
“核反應器內的結構材料會受到快中子的破壞，快中子會將原子擊出其原在位置並產生氣體形式的氫氣或氦氣。這最終會導致膨脹、空隙的產生及各種其他結構和機械變化，從而限制它們的最終使用壽命，”IAEA的核子物理學家Ian Swainson說。“因此，材料的輻射測試是必不可少的，而加速器可以幫助進行更廣泛地測試。”
帶電粒子在穿過材料的旅程即將結束時，會失去大部分能量，從而造成重大但局部的損壞。出於這個原因，研究人員計畫使用來自離子束加速器的帶電粒子，來測試未來核反應器的候選材料。
“使用加速器測試材料比使用反應器更快，”Swainson說，並解釋說使用加速器一天可以完成的事情，若使用高通量測試反應器可能需要一年時間。通常情況下，樣本不會變得具有放射性，並且可以將受損區域仔細切片，再使用顯微技術進行檢查。
2016年，Swainson協助成立了一項為期五年的IAEA合作研究計畫，將相同材料的樣品分發到多個加速器設施進行輻照，在相同條件下，與俄羅斯聯邦的BOR-60快中子研究反應器進行比較；輻照後的分析將有助於提高加速器設施之間的站點到站點(site-to-site)的可重複性，並闡明加速器如何篩選出性能不佳的材料。
2022年8月，IAEA舉行了第二屆國際輻射科學技術應用會議(International Conference on Applications of Radiation Science and Technology, ICARST-2022)，以探討這些問題並強調其應用和游離輻射的發展。除其他主題外，這次會議重點關注先進材料特定領域的進展及當前的技術或經濟局限性，並幫助審查在完善的輻射處理過程中對提高材料性能所取得的成就。