英國國家核實驗室和利物浦大學的新研究使用了一種新技術來研究熱氧化如何影響核石墨的結構，以便核反應堆可以設計得運行更長時間。

研究人員檢查了超細晶核石墨的孔隙率，并將其與稱為熱氧化的化學變化聯系起來。他們專注于一些先進反應堆(稱為高溫反應堆(HTR))將產生的極高溫度。這些發現可用于設計高效的核反應堆，其使用壽命比原來的核反應堆要長得多。

石墨由微小晶體組成，這些晶體共同形成“晶粒”或“填充顆粒”。晶粒尺寸和孔隙率用于將核石墨分為不同等級。它在多種類型的核反應堆中發揮著重要作用。它用于當前運行的反應堆群，自 20 世紀 50 年代以來，這些反應堆供應了英國約 20% 的碳中和電力，并且未來可能用于先進反應堆。

NNL 高級研究員 Nassia Tzelepi 解釋說，熱氧化是高溫氣冷堆石墨組件中影響反應堆性能的兩種機制之一。“要使石墨適合高溫氣冷堆，需要充分了解其演變及其對石墨性能的影響。”

石墨在某些類型的反應堆中用作慢化劑，所有反應堆都需要冷卻劑來消除堆芯中產生的熱量。

現有的反應堆將冷卻劑輸送到渦輪機來發電，而未來的反應堆可以用它來產生一些行業所需的熱量。在高溫氣體反應堆 (HTGR) 中，氦氣用作冷卻劑，溫度可達 700 °C 以上。氦氣即使經過純化，也含有空氣或水分等物質。這些雜質與高溫相結合，會在反應堆預計 40 至 60 年的使用壽命內逐漸導致石墨氧化。

氧化可以改變石墨的孔隙率，這是影響其性能的關鍵特性。有點矛盾的是，氧化程度取決于孔隙率：孔隙如何連接在一起、它們的大小以及材料的整體滲透性。氧化可能是由高溫(稱為熱氧化)或輻射引起的。英國科學家在歷史悠久的 Magnox 石墨慢化反應堆中對輻射引起的氧化有豐富的經驗，這些反應堆的運行溫度約為 350 至 450 °C。現在的研究重點是新一代反應堆產生的更高溫度下會發生什么。

這個過程很復雜。與許多其他復合材料一樣，制造工藝和原材料類型都會對最終產品的性能產生影響。石墨由通常具有隨機方向的微小晶體組成。許多晶體一起形成“顆粒”或“填充顆粒”。可以生產不同等級的石墨，其特征在于填料顆粒的平均尺寸和孔隙率。Tzelepi 表示，“每種石墨都是不同的，具體取決于原材料及其制造方式。我們想知道是什么使得看似相同屬性的石墨在熱氧化下表現不同。” 造成不同行為的可能原因有很多，可以通過在顯微鏡下觀察微觀結構來研究這些原因。

Tzelepi 的團隊將研究重點放在平均晶粒尺寸為 10-120 微米的超細晶石墨上，因為下一代反應堆正在考慮使用這些材料。使用高溫爐和精心控制的氣氛，四種等級的超細晶石墨在 700-800°C 的溫度下進行氧化。

專門為分析歷史反應堆中的核石墨而開發的技術適用于穿透超細粒石墨中存在的較小孔隙。該技術涉及用熒光染料飽和“開放”毛孔。這些開放的孔隙可以被反應堆冷卻劑滲透，因此將它們與無法進入的“封閉”孔隙區分開來非常重要。使用顯微鏡收集并分析開孔和閉孔的圖像。

通過將該技術與其他標準技術相結合，找到了解釋不同行為的線索。圖中所示的三個獨立樣品的總體氧化深度與相對較大的互連孔的存在有關，但在石墨塊的表面，狹窄的開放孔的精細網絡增強了表面附近的氧化。

研究小組還發現石墨的氧化速率似乎較低，其中微觀結構的某些部分聚集在一起形成小團聚物。當顆粒以這種方式聚集在一起時，可能被氧化的暴露邊緣就會減少。

所有這些有關微觀結構的信息都可以用來準確確定石墨在未來反應堆中的表現。“50 多年來，英國一直在運行承受高水平輻射分解氧化的石墨慢化反應堆，”Tzelepi 指出。盡管輻射分解氧化的機理不同，但可以借鑒大量經驗，不僅可以了解氧化對石墨性能的影響，還可以開發研究它的方法。”

從這些新技術中獲得的見解支持未來反應堆的發展，確保它們始終在最佳狀態下運行，并使其能夠在完全依賴碳中性能源的未來中發揮主導作用。