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暴露于中子辐射环境的材料往往有明显的损伤，致使隔离核废料或核电站存在挑战。在纳米尺度上，这些辐射中子与材料的原子碰撞，然后原子们相互碰撞，类似于台球，进而形成无序的原子网络。受辐射的材料物理性质类似于一些玻璃材料，因此许多这种材料被用于进行核研究。但是，这些材料的相似性可能不像以前认为的那么有用。 图 受辐射的石英样品原子结构图 玻璃状物质的无序原子网络是由玻璃化引起的，物质通过其熔化和（通常）随后的快速冷却而转化为玻璃。在这种冷却或淬火期间，原子没有时间以有组织的方式沉降，而是形成无序的原子网络。因此，加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）和橡树岭国家实验室的一组研究人员探讨了一个问题：辐射和玻璃化对材料的原子结构有相同的影响吗？ 研究人员探索了石英这种简单无处不在用于无数工程应用的材料。 通过传统试验研究人员无法直接“看见”原子，尤其是在无序的材料中。所以，在此研究中，研究人员采用分子动力学技术进行原子仿真模拟。 UCLA土木与环境工程系的助理教授Mathieu Bauchy说：“分子动力学技术是用数学解决一组相互作用原子的牛顿运动定律。这些原子彼此施加力，而这种技术可以用来计算每个原子随时间的加速度。” 基于这种技术，可以通过将虚拟入射的中子与材料内的原子相互碰撞来模拟辐照引起的石英内原子混乱。 研究人员还通过加热和迅速淬火原子来模拟石英的玻璃化，并比较了两个实验获得的两种无序材料的原子结构。 “相当出乎意料的是，我们发现辐射引起的混乱本质上与玻璃化引起的不一样，”Bauchy说。 “这是非常令人惊讶的，因为玻璃和重度辐射的材料通常表现出相同的密度，因此人们经常使用玻璃作为模型来模拟辐射对材料的影响。” 相比之下，研究人员的研究结果表明辐射材料比玻璃更无序。 Bauchy说：“照射材料的原子结构实际上更接近液体的原子结构。 该小组的调查结果可能对核领域应用材料的选择有重要影响。 加州大学洛杉矶分校的博士后研究员N.M. Anoop Krishnan说：“首先，我们认为目前的辐射模型可能低估了受辐射的材料的损害程度，存在明显的安全隐患。 其次，辐射和玻璃化引起的紊乱的不同性质表明玻璃也可能受到辐射的影响。” 这是一个重要的发现，因为被认为在辐射环境下可以“自愈”的玻璃通常用于通过玻璃化来固定核废料。 Krishnan说：“人们希望这些核废弃物一旦存放在地质保存库中能够保持稳定数百万年，所以我们对辐射效应了解的不足是一个很严重的问题。” 接下来，该团队计划研究辐射对核电厂混凝土和核废料固定玻璃的影响。最终目标是开发新的模型来预测辐射对材料结构和性能的长期影响。 该研究由美国能源部核能办公室资助。部分计算设备由圣地亚哥超算中心提供，也是美国高性能计算（HPC）战略的一部分。该研究还受到美国橡树岭国家实验室、国家科学基金、联邦公路管理局和加利福尼亚大学的支持。 "Irradiation- vs. vitrification-induced disordering: The case of a-quartz and glassy silica," The Journal of Chemical Physics May 23, 2017(DOI: 10.1063/1.4982944).
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