愛達荷國家實驗室最新的設施——樣品制備實驗室 (SPL)——位于 1975 年開始運行的熱燃料檢查設施 (HFEF) 對面。SPL 將在 50 年來首次在 INL 的材料和燃料綜合設施 (MFC) 中安裝新熱室，為 INL 研究人員和合作伙伴提供新的靈活性，以測試來自先進測試反應堆 (ATR) 或合作伙伴設施的新鮮輻照材料的結構特性。

必須在類似條件下測試用于承受裂變或聚變發電廠極端條件的材料，并使其突破極限，以便了解和改進其性能和局限性。輻射后，材料樣品可以在 SPL 中切割成適當的尺寸，并包裝起來，以便在 INL 或其他國家實驗室、商業實驗室或大學的其他設施中進行測試。但它們也可以在 SPL 中經受極端高溫或腐蝕條件，并進行機械測試，Colin Judge 解釋說，他是 INL 核材料性能部門主管，負責監督 SPL 和 MFC 的其他設施。

SPL 直到 2026 年 1 月才會開始“熱運行”，但當 Judge的團隊將儀器搬進新設施時，他與NN特約撰稿人 Susan Gallier 談論了它的功能。

您的材料科學職業生涯始于加拿大喬克河實驗室。您目前在 INL 擔任什么職務?您是如何走到這一步的?

我是核材料性能部門的主管，負責核設施的管理和運營。我們努力了解材料。我們將其分解為基本原理，然后將這些數據重新納入工程規模，并將其與核反應堆的可操作性聯系起來。

我是如何來到這里的，這個問題要回答得更長。我是加拿大人，2008 年加入加拿大原子能公司，在 Chalk River 為現在的加拿大核實驗室工作。我一直從事材料科學的機械工程方面的工作。我要從反應堆中取出一些東西，把它打碎，然后試著了解它為什么會破碎，以及這種材料的極限是什么。我在加拿大做了 10 多年，在 Chalk River 和愛達荷州都使用過儀器，直到 2019 年加入 INL。

在加拿大，它們的運作方式與商業實驗室類似。它們從聯邦政府獲得資金，但大部分收入來自商業收入。當我來到愛達荷州時，我嘗試將同樣的風格帶入 INL 的工作中。我們開始進行更多更先進的反應堆工作，而我在行業中的經驗也起到了幫助作用。我最初擔任核科學用戶設施的行業聯絡員。

但我的心血一直都集中在使用先進的顯微鏡技術進行材料表征上。當 MFC 的部門主任職位空缺時，我申請并擔任了這個職位，至今已經快四年了。

2023 年(下)在 MFC 建造的 SPL。(圖片：INL)

是什么使得 SPL 與眾不同?

我們于 2020 年開始建造樣品制備實驗室，但規劃早在近十年前就開始了。我們已經有一段時間沒有建造新的熱室了，所以我們想為未來設計一些東西，利用新系統、機器人、攝像頭——我們在能源部半個世紀的研究中學到的一切。

SPL 是非阿爾法設施。我們 ATR 的輻照實驗通常從 ATR 轉移到我們的 HFEF，后者擁有世界上最大的開放式熱室之一。然后，我們會拆開包裝，對其進行處理，并測試材料。問題在于，經過數十年的輻照燃料實驗，HFEF 已受到阿爾法輻射的嚴重污染。即使非燃料測試樣品通過 HFEF，也會限制我們可以發送該材料的地方，因為許多合作設施(包括國家實驗室中子束中心或大學實驗室)無法處理含阿爾法或受阿爾法污染的材料。

SPL 要做的一件大事就是讓我們能夠直接從 ATR 接收用于非燃料實驗的材料，然后將其拆開、加工、切割并送去進行研究。我們希望人們將我們視為他們所擁有的東西的延伸，并了解我們如何幫助他們的設施更上一層樓。

您現在在 SPL 的調試中處于什么位置?

我們的目標是在 2026 年 1 月投入使用。大樓已經完工，我們在秋天舉行了剪彩儀式。科研人員將于 2025 年 1 月與我們的技術操作員和運營團隊一起搬進該設施。12 月中旬，我們開始安裝一些科學設備和機器人。機械手幾乎完工了。

下一年(2025 年)的工作是安裝設備并進行操作準備和管理安全評估。我們將使用未受輻射的材料測試所有科學設備、所有顯微鏡和機器人，但要把它們當作具有放射性的材料。我們會問一些關于“假設”情景的挑戰性問題，并向自己證明我們已經解決了如何應對的問題。例如，如果你掉落了一個樣本會怎么樣?這意味著什么，你會如何恢復?如果你在沒有窗戶的熱室中失去了攝像系統的電源，你的恢復途徑是什么?我們將回答這些問題，以便在熱室出現故障時，我們不會感到意外。

SPL 可以通過哪些方式支持核電?

我們為 SPL 引入的一些新功能將幫助我們探索使用熔鹽或氣體作為冷卻劑的先進反應堆結構材料的未知領域。SPL 內有幾個區域，我們稱之為實驗測試臺。這些屏蔽外殼將允許我們將實驗移入其中進行短期測試活動。需要在極端環境下測試事物的人可以推入熔鹽腐蝕回路，執行六個月，進行實驗，然后將其移出，讓熱室空間為下一次實驗做好準備。你不需要進行將占用空間 10 年的實驗。

SPL 的設計旨在為我們提供額外的靈活空間。如果五年后有人來找我們，并提出了一個絕妙的想法，我們就可以實現它，因為我們不會占用過多的地面空間。

我們還計劃直接從公用事業公司或通過核管理委員會或電力研究所接收輕水反應堆材料，將退役的反應堆變成實驗用輻照材料來源。我們將切割成我們通常看不到的組件，代表能源部保存它們，然后我們可以在那里進行定型、研磨和拋光。

材料轉移室，容器與熱室對接，建造后(底部)。(照片：INL)

SPL 會進行任何燃料測試嗎?

SPL 將研究結構部件，包括燃料包層、金屬部件，也許還有一些陶瓷部件，但不包括燃料本身。目前，我們在燃料實驗室中進行所有結構材料工作和燃料工作。通過擁有一個僅用于結構材料的新熱室，我可以細分這些活動——優化燃料熱室和結構熱室，以便我們能夠做更多的事情。

問題是，很多這些材料都已經過測試、表征和了解，適用于非輻照條件。這些材料中很少有被放入有中子的核反應堆中，然后在輻照后進行測試。因此，我們還需要做一些工作來更好地了解這些材料在輻照后的情況。

與在其他地方準備要表征的樣品相比，在 SPL 下材料表征的程度如何?

我們的名字是樣品制備實驗室，準備樣品送往其他地方是我們使命的一部分。但這不是我們唯一的使命。我認為如果我們稱之為結構特性實驗室，這將有助于解釋我們的工作。

我可以澄清一下，SPL 不是燃料實驗室。除此之外，我們還研究其他一切——結構特性和結構材料。我們所做的部分工作可以幫助其他人測試材料，但我們在 SPL 內部也配備了機械測試設備。我們可以拆開組件，然后使用先進的顯微鏡工具來嘗試了解它們損壞的原因。然后，我們與建模和計算方面的同行合作，將其與反應堆的性能聯系起來。

我們正在與合作伙伴合作，確定要測試哪些腐蝕環境。例如，我們將使用熔鹽等系統探索高溫下的材料特性。然后研究氦或氫對材料的影響，這對高溫裂變反應堆和聚變反應堆都具有重要意義。我們幾乎無論反應堆設計如何，都專注于材料。

SPL 正在進行設備安裝。(圖片：INL)

那么你們會將材料置于 SPL 的極端條件下嗎?你們不會簡單地處理在其他地方暴露的樣品嗎?

是的。當我們進行實驗以了解性能時，輻射是其中的一部分，但當我們對輻射材料進行高溫測試或腐蝕環境中的高溫測試時，我們可以更好地了解降解機制以及它們如何分解或承受降解。在理想世界中，我們希望一切都能承受一切，因此在許多情況下，我們會研究這些限制并嘗試設計更好的材料，以使它們不會降解。

事實是，當你把任何類型的材料放在核反應堆等極端環境中時，它們都會發生變化。安全的前提是，我們了解正在發生的事情，并且不會出現任何意外。

樣本在 SPL 內是如何移動和測試的?

我們使用氣動傳輸管(類似老式的管道)將樣品輸送到整個設施。這些管道都與主熱室相連，我們所有的屏蔽外殼都直接與主熱室相連。

在這些屏蔽罩內，有專門的機器人負責將氣動傳輸的物料裝載到我們的系統中。我們有三個屏蔽罩，其中一個是我們已經討論過的實驗測試臺。

第二臺顯微鏡具有 XRD(X 射線衍射)功能和二次電子顯微鏡工具，配有雙束聚焦離子束 (FIB) 作為小型加工工具。您可以燒蝕材料并獲得非常小體積的材料，然后將其放入其他顯微鏡中進行研究，甚至可以測試小尺寸拉伸試樣和機械測試試樣。

第三個外殼中的系統是用于表面科學的 X 射線光電光譜 (XPS)。如果我們在將材料暴露于熔鹽中的高溫后產生了不同的氧化物，并且我們想要確定形成了哪些氧化物以及材料如何降解和腐蝕，我們可以使用 XPS 來確定它是保護性氧化物還是會降解并導致局部腐蝕，從而導致部件失效。

小樣本測試有什么好處?

一旦我們用 FIB 處理非常非常小的樣本(可以處理非常薄的 10 微米 x 10 微米樣本)，如果唯一的輻射源是 β 或 γ，那么在這個量級下，輻射量低于被認定為微量輻射的閾值。雖然輻射量不可忽略，但我可以將其放入包裹中，然后將其運送到美國各地，而無需貼上外部標簽，因為它不構成危險。美國和加拿大的大多數大學都可以處理這種情況。

或者我們可以將材料搬到隔壁的輻照材料特性實驗室(IMCL)，我認為我們在那里擁有核設施中最完整的功能，該建筑專門用于進行先進的材料特性和測試。

您曾提到 SPL 中的機器人技術和自動化。您是否需要為 INL 引進新的和不同的專家來構建這些能力?

熱室中機器人的想法是 SPL 最初概念和設計的一部分。輻射往往會損壞電子設備，因此，熱室中裝有可能損壞的攝像頭和機器人的想法是有風險的。裝有這些設備的熱室沒有大量的材料庫存，因此不會持續受到轟擊。我們將必須進行預防性維護、規劃和監控，并且我們可以根據需要按照我們確定的頻率更換這些系統。

我們機械性能測試單元中的主機器人看起來像《迷失太空》中的機器人。它可以垂直移動、旋轉，并且有兩個手臂，你可以操作它并移動它，就像在熱室中操作典型的操縱器一樣。或者你可以用看起來像視頻游戲控制器的東西來操作它。我們已經開始在那個空間培訓操作員。我們可以向研究贊助商展示我們使用這些機器人所做的工作——這樣你就可以看到和觀察我們正在做的事情，而不必來到愛達荷州。

我們確實需要建立一些新的專業知識。我們正嘗試將人工智能和機器學習融入這些系統，以便突破半自動和自動機器人的極限。

一旦 SPL 開始流行，有沒有準備好工作的公司?

是的。我們有客戶，也有能源部贊助的項目和活動。核科學用戶設施在第一天就會開展一些活動。我們有一些先進的反應堆供應商——我不會透露他們的名字——他們正在研究一些已經符合規范要求的金屬部件和金屬，但他們希望在不同的場景和環境下對其進行特性描述，以建立他們的許可案例。然后，我們現在正在與一些供應商進行談判，討論如何優化這些實驗測試臺的工作。

我真正想澄清的是，我們不僅僅是一個“來找我們，測試一下，然后給你數據”的實驗室。有時人們不知道確切有哪些選擇。我們可以利用我們在這方面的經驗和背景幫助他們塑造他們的計劃。

我們目前正在與一些贊助商合作，研究他們想要進行哪些類型的測試。其中一些是機械測試，因此只是純拉伸性能。一些是蠕變性能，那么材料在高溫下低負荷但長時間內會如何變形?還有一些是循環測試，其中加載溫度循環或機械循環，使樣品經歷拉伸和壓縮循環，并將材料推向極限。

如果可以概括的話，不同的反應堆操作員或開發人員想要學習什么?

我可以把事情弄得很簡單。他們關心的是錢，他們關心的是安全。你要確保反應堆高效、安全地運行。

目前一些反應堆運營商希望將核反應堆的可運行性維持到 80 年或 100 年。無需建造新反應堆，他們就能運行更長時間，這對他們來說是一件好事。如果我們認為這不取決于經濟因素和人們是否會賺錢，那我們就是在自欺欺人。但他們必須安全地運行。

我不想談論具體的挑戰和問題，我知道他們中的一些人正在努力解決這些問題，但你們正在考慮將材料推向極限。當材料受到輻射時，它們通常會在一定水平上飽和，性質不會改變。這發生在反應堆壽命的早期——在 300°C 下運行三到五年。但如果材料正在降解，腐蝕會隨著時間的推移而變化。我認為他們現在對輕水反應堆技術已經掌握得很好了。所以我們實際上只是在幫助他們維護其組件的安全。

對于先進反應堆，你必須了解自己知道什么，努力了解自己不知道什么，并希望自己沒有太多未知的未知數。當溫度升高時，材料的性能不一定會發生變化，但你可以看到在高溫下長期運行的材料發生相變。你會看到在 300°C 下通常不會發生的機制，如熱蠕變。我們可以提供材料測試數據，幫助那些先進反應堆供應商制定許可案例。

SPL 中尚未升溫的熱室內部的視圖。(照片：INL)

SPL 如何測試用于聚變應用的材料?

在許多情況下，裂變與熱核裂變重疊。在高溫和環境中，氦要么在材料上形成，要么在材料中擴散。還有氫。當你開始談論材料中的氣體形成時，它要么來自輻射，要么來自環境。在裂變系統中，熱中子與材料相互作用，可以發生嬗變，導致鈷、氫、鐵和氦在金屬內部形成。氫往往相對容易在金屬中擴散，在擴散過程中，它會破壞內部原子鍵，使位錯更快地穿過材料。因此，它增強了塑性和變形。氫從內部進入，或者氫通過腐蝕從外部擴散。理解其中的工作原理是一個真正的問題。我總是說——如果有疑問，就怪氫。

氦通過嬗變中子進入材料，但也可以通過氚的自然衰變進入材料。所以問題是，這會導致脆化嗎?這會限制斷裂韌性或拉伸性能的閾值嗎?這些因素會影響裂變和聚變，而 SPL 絕對可以影響這門科學。

您認為 SPL 在國家實驗室的整個核工作范圍內扮演著怎樣的角色?

去年我有幸參加了奧本海默科學與能源領導力項目。我們的團隊在一年內走訪了美國能源部的所有國家實驗室，與實驗室負責人進行了交談，探討了挑戰和問題。一個共同的主題出現了。這是兩個虛構的詞，但它們讓我印象深刻：“合作競爭”和“競爭”。

美國能源部實驗室必須合作。但自然也存在一些競爭。我們一起工作，但我們也爭奪員工和資金。我努力保持開放和外向的心態，并認識到我們必須合作。

有了 SPL，INL 現在擁有了燃料設施和結構設施。其他實驗室也擁有結構材料能力，但這并不是重復。主要問題是我們如何實現美國到 2050 年將核電容量增加三倍的目標。我們無法孤立地做到這一點，我們必須加快速度。我們加快速度的唯一方法是合作并使用 SPL 作為集中樞紐將數據發送到其他實驗室，即使這是我們可以在 INL 做的事情。如果我將一半的樣本發送給你們，然后我們一起分析數據，我們可以更快地完成任務。所以我希望人們把這個設施看作是一個可以幫助他們實現目標的設施，而不是一個與他們競爭的設施。