法官站在 INL 的新樣品制備實(shí)驗(yàn)室外。(圖片：INL)

愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室最新的設(shè)施——樣品制備實(shí)驗(yàn)室 (SPL)——位于 1975 年開(kāi)始運(yùn)行的熱燃料檢查設(shè)施 (HFEF) 對(duì)面。SPL 將在 50 年來(lái)首次在 INL 的材料和燃料綜合設(shè)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(cè)試來(lái)自先進(jìn)測(cè)試反應(yīng)堆 (ATR) 或合作伙伴設(shè)施的新鮮輻照材料的結(jié)構(gòu)特性。

必須在類似條件下測(cè)試用于承受裂變或聚變發(fā)電廠極端條件的材料，并使其突破極限，以便了解和改進(jìn)其性能和局限性。輻射后，材料樣品可以在 SPL 中切割成適當(dāng)?shù)某叽?，并包裝起來(lái)，以便在 INL 或其他國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、商業(yè)實(shí)驗(yàn)室或大學(xué)的其他設(shè)施中進(jìn)行測(cè)試。但它們也可以在 SPL 中經(jīng)受極端高溫或腐蝕條件，并進(jìn)行機(jī)械測(cè)試，Colin Judge 解釋說(shuō)，他是 INL 核材料性能部門(mén)主管，負(fù)責(zé)監(jiān)督 SPL 和 MFC 的其他設(shè)施。

SPL 直到 2026 年 1 月才會(huì)開(kāi)始“熱運(yùn)行”，但當(dāng) Judge 的團(tuán)隊(duì)將儀器搬進(jìn)新設(shè)施時(shí)，他與NN特約撰稿人 Susan Gallier 談?wù)摿怂墓δ堋?/p>

您的材料科學(xué)職業(yè)生涯始于加拿大喬克河實(shí)驗(yàn)室。您目前在 INL 擔(dān)任什么職務(wù)?您是如何走到這一步的?

我是核材料性能部門(mén)的主管，負(fù)責(zé)核設(shè)施的管理和運(yùn)營(yíng)。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(shù)據(jù)重新納入工程規(guī)模，并將其與核反應(yīng)堆的可操作性聯(lián)系起來(lái)。

我是如何來(lái)到這里的，這個(gè)問(wèn)題要回答得更長(zhǎng)。我是加拿大人，2008 年加入加拿大原子能公司，在 Chalk River 為現(xiàn)在的加拿大核實(shí)驗(yàn)室工作。我一直從事材料科學(xué)的機(jī)械工程方面的工作。我要從反應(yīng)堆中取出一些東西，把它打碎，然后試著了解它為什么會(huì)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(ài)達(dá)荷州都使用過(guò)儀器，直到 2019 年加入 INL。

在加拿大，它們的運(yùn)作方式與商業(yè)實(shí)驗(yàn)室類似。它們從聯(lián)邦政府獲得資金，但大部分收入來(lái)自商業(yè)收入。當(dāng)我來(lái)到愛(ài)達(dá)荷州時(shí)，我嘗試將同樣的風(fēng)格帶入 INL 的工作中。我們開(kāi)始進(jìn)行更多更先進(jìn)的反應(yīng)堆工作，而我在行業(yè)中的經(jīng)驗(yàn)也起到了幫助作用。我最初擔(dān)任核科學(xué)用戶設(shè)施的行業(yè)聯(lián)絡(luò)員。

但我的心血一直都集中在使用先進(jìn)的顯微鏡技術(shù)進(jìn)行材料表征上。當(dāng) MFC 的部門(mén)主任職位空缺時(shí)，我申請(qǐng)并擔(dān)任了這個(gè)職位，至今已經(jīng)快四年了。

法官在 SPL 的熱室窗口旁。(照片：INL)

是什么使得 SPL 與眾不同?

2021 年(上)和 2023 年(下)在 MFC 建造的 SPL。(圖片：INL)我們于 2020 年開(kāi)始建造樣品制備實(shí)驗(yàn)室，但規(guī)劃早在近十年前就開(kāi)始了。我們已經(jīng)有一段時(shí)間沒(méi)有建造新的熱室了，所以我們想為未來(lái)設(shè)計(jì)一些東西，利用新系統(tǒng)、機(jī)器人、攝像頭——我們?cè)谀茉床堪雮€(gè)世紀(jì)的研究中學(xué)到的一切。

SPL 是非阿爾法設(shè)施。我們 ATR 的輻照實(shí)驗(yàn)通常從 ATR 轉(zhuǎn)移到我們的 HFEF，后者擁有世界上最大的開(kāi)放式熱室之一。然后，我們會(huì)拆開(kāi)包裝，對(duì)其進(jìn)行處理，并測(cè)試材料。問(wèn)題在于，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的輻照燃料實(shí)驗(yàn)，HFEF 已受到阿爾法輻射的嚴(yán)重污染。即使非燃料測(cè)試樣品通過(guò) HFEF，也會(huì)限制我們可以發(fā)送該材料的地方，因?yàn)樵S多合作設(shè)施(包括國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中子束中心或大學(xué)實(shí)驗(yàn)室)無(wú)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(shí)驗(yàn)的材料，然后將其拆開(kāi)、加工、切割并送去進(jìn)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?nèi)绾螏椭麄兊脑O(shè)施更上一層樓。

您現(xiàn)在在 SPL 的調(diào)試中處于什么位置?

我們的目標(biāo)是在 2026 年 1 月投入使用。大樓已經(jīng)完工，我們?cè)谇锾炫e行了剪彩儀式。科研人員將于 2025 年 1 月與我們的技術(shù)操作員和運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)一起搬進(jìn)該設(shè)施。12 月中旬，我們開(kāi)始安裝一些科學(xué)設(shè)備和機(jī)器人。機(jī)械手幾乎完工了。

下一年(2025 年)的工作是安裝設(shè)備并進(jìn)行操作準(zhǔn)備和管理安全評(píng)估。我們將使用未受輻射的材料測(cè)試所有科學(xué)設(shè)備、所有顯微鏡和機(jī)器人，但要把它們當(dāng)作具有放射性的材料。我們會(huì)問(wèn)一些關(guān)于“假設(shè)”情景的挑戰(zhàn)性問(wèn)題，并向自己證明我們已經(jīng)解決了如何應(yīng)對(duì)的問(wèn)題。例如，如果你掉落了一個(gè)樣本會(huì)怎么樣?這意味著什么，你會(huì)如何恢復(fù)?如果你在沒(méi)有窗戶的熱室中失去了攝像系統(tǒng)的電源，你的恢復(fù)途徑是什么?我們將回答這些問(wèn)題，以便在熱室出現(xiàn)故障時(shí)，我們不會(huì)感到意外。

SPL 可以通過(guò)哪些方式支持核電?

我們?yōu)?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(jìn)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的未知領(lǐng)域。SPL 內(nèi)有幾個(gè)區(qū)域，我們稱之為實(shí)驗(yàn)測(cè)試臺(tái)。這些屏蔽外殼將允許我們將實(shí)驗(yàn)移入其中進(jìn)行短期測(cè)試活動(dòng)。需要在極端環(huán)境下測(cè)試事物的人可以推入熔鹽腐蝕回路，執(zhí)行六個(gè)月，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后將其移出，讓熱室空間為下一次實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。你不需要進(jìn)行將占用空間 10 年的實(shí)驗(yàn)。

SPL 的設(shè)計(jì)旨在為我們提供額外的靈活空間。如果五年后有人來(lái)找我們，并提出了一個(gè)絕妙的想法，我們就可以實(shí)現(xiàn)它，因?yàn)槲覀儾粫?huì)占用過(guò)多的地面空間。

我們還計(jì)劃直接從公用事業(yè)公司或通過(guò)核管理委員會(huì)或電力研究所接收輕水反應(yīng)堆材料，將退役的反應(yīng)堆變成實(shí)驗(yàn)用輻照材料來(lái)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(jìn)行定型、研磨和拋光。

SPL 會(huì)進(jìn)行任何燃料測(cè)試嗎?

SPL 將研究結(jié)構(gòu)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?cè)谌剂蠈?shí)驗(yàn)室中進(jìn)行所有結(jié)構(gòu)材料工作和燃料工作。通過(guò)擁有一個(gè)僅用于結(jié)構(gòu)材料的新熱室，我可以細(xì)分這些活動(dòng)——優(yōu)化燃料熱室和結(jié)構(gòu)熱室，以便我們能夠做更多的事情。

問(wèn)題是，很多這些材料都已經(jīng)過(guò)測(cè)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(yīng)堆中，然后在輻照后進(jìn)行測(cè)試。因此，我們還需要做一些工作來(lái)更好地了解這些材料在輻照后的情況。

與在其他地方準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)室，準(zhǔn)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(rèn)為如果我們稱之為結(jié)構(gòu)特性實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室。除此之外，我們還研究其他一切——結(jié)構(gòu)特性和結(jié)構(gòu)材料。我們所做的部分工作可以幫助其他人測(cè)試材料，但我們?cè)?SPL 內(nèi)部也配備了機(jī)械測(cè)試設(shè)備。我們可以拆開(kāi)組件，然后使用先進(jìn)的顯微鏡工具來(lái)嘗試了解它們損壞的原因。然后，我們與建模和計(jì)算方面的同行合作，將其與反應(yīng)堆的性能聯(lián)系起來(lái)。

我們正在與合作伙伴合作，確定要測(cè)試哪些腐蝕環(huán)境。例如，我們將使用熔鹽等系統(tǒng)探索高溫下的材料特性。然后研究氦或氫對(duì)材料的影響，這對(duì)高溫裂變反應(yīng)堆和聚變反應(yīng)堆都具有重要意義。我們幾乎無(wú)論反應(yīng)堆設(shè)計(jì)如何，都專注于材料。

SPL 正在進(jìn)行設(shè)備安裝。(圖片：INL)

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

是的。當(dāng)我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以了解性能時(shí)，輻射是其中的一部分，但當(dāng)我們對(duì)輻射材料進(jìn)行高溫測(cè)試或腐蝕環(huán)境中的高溫測(cè)試時(shí)，我們可以更好地了解降解機(jī)制以及它們?nèi)绾畏纸饣虺惺芙到?。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(huì)研究這些限制并嘗試設(shè)計(jì)更好的材料，以使它們不會(huì)降解。

事實(shí)是，當(dāng)你把任何類型的材料放在核反應(yīng)堆等極端環(huán)境中時(shí)，它們都會(huì)發(fā)生變化。安全的前提是，我們了解正在發(fā)生的事情，并且不會(huì)出現(xiàn)任何意外。

樣本在 SPL 內(nèi)是如何移動(dòng)和測(cè)試的?

我們使用氣動(dòng)傳輸管(類似老式的管道)將樣品輸送到整個(gè)設(shè)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(nèi)，有專門(mén)的機(jī)器人負(fù)責(zé)將氣動(dòng)傳輸?shù)奈锪涎b載到我們的系統(tǒng)中。我們有三個(gè)屏蔽罩，其中一個(gè)是我們已經(jīng)討論過(guò)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試臺(tái)。

第二臺(tái)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(jìn)行研究，甚至可以測(cè)試小尺寸拉伸試樣和機(jī)械測(cè)試試樣。

第三個(gè)外殼中的系統(tǒng)是用于表面科學(xué)的 X 射線光電光譜 (XPS)。如果我們?cè)趯⒉牧媳┞队谌埯}中的高溫后產(chǎn)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(lái)確定它是保護(hù)性氧化物還是會(huì)降解并導(dǎo)致局部腐蝕，從而導(dǎo)致部件失效。

小樣本測(cè)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(gè)量級(jí)下，輻射量低于被認(rèn)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(yùn)送到美國(guó)各地，而無(wú)需貼上外部標(biāo)簽，因?yàn)樗粯?gòu)成危險(xiǎn)。美國(guó)和加拿大的大多數(shù)大學(xué)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(shí)驗(yàn)室(IMCL)，我認(rèn)為我們?cè)谀抢飺碛泻嗽O(shè)施中最完整的功能，該建筑專門(mén)用于進(jìn)行先進(jìn)的材料特性和測(cè)試。

您曾提到 SPL 中的機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化。您是否需要為 INL 引進(jìn)新的和不同的專家來(lái)構(gòu)建這些能力?

熱室中機(jī)器人的想法是 SPL 最初概念和設(shè)計(jì)的一部分。輻射往往會(huì)損壞電子設(shè)備，因此，熱室中裝有可能損壞的攝像頭和機(jī)器人的想法是有風(fēng)險(xiǎn)的。裝有這些設(shè)備的熱室沒(méi)有大量的材料庫(kù)存，因此不會(huì)持續(xù)受到轟擊。我們將必須進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)、規(guī)劃和監(jiān)控，并且我們可以根據(jù)需要按照我們確定的頻率更換這些系統(tǒng)。

我們機(jī)械性能測(cè)試單元中的主機(jī)器人看起來(lái)像《迷失太空》中的機(jī)器人。它可以垂直移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，并且有兩個(gè)手臂，你可以操作它并移動(dòng)它，就像在熱室中操作典型的操縱器一樣?；蛘吣憧梢杂每雌饋?lái)像視頻游戲控制器的東西來(lái)操作它。我們已經(jīng)開(kāi)始在那個(gè)空間培訓(xùn)操作員。我們可以向研究贊助商展示我們使用這些機(jī)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(lái)到愛(ài)達(dá)荷州。

我們確實(shí)需要建立一些新的專業(yè)知識(shí)。我們正嘗試將人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)融入這些系統(tǒng)，以便突破半自動(dòng)和自動(dòng)機(jī)器人的極限。

一旦 SPL 開(kāi)始流行，有沒(méi)有準(zhǔn)備好工作的公司?

是的。我們有客戶，也有能源部贊助的項(xiàng)目和活動(dòng)。核科學(xué)用戶設(shè)施在第一天就會(huì)開(kāi)展一些活動(dòng)。我們有一些先進(jìn)的反應(yīng)堆供應(yīng)商——我不會(huì)透露他們的名字——他們正在研究一些已經(jīng)符合規(guī)范要求的金屬部件和金屬，但他們希望在不同的場(chǎng)景和環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行特性描述，以建立他們的許可案例。然后，我們現(xiàn)在正在與一些供應(yīng)商進(jìn)行談判，討論如何優(yōu)化這些實(shí)驗(yàn)測(cè)試臺(tái)的工作。

我真正想澄清的是，我們不僅僅是一個(gè)“來(lái)找我們，測(cè)試一下，然后給你數(shù)據(jù)”的實(shí)驗(yàn)室。有時(shí)人們不知道確切有哪些選擇。我們可以利用我們?cè)谶@方面的經(jīng)驗(yàn)和背景幫助他們塑造他們的計(jì)劃。

我們目前正在與一些贊助商合作，研究他們想要進(jìn)行哪些類型的測(cè)試。其中一些是機(jī)械測(cè)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(fù)荷但長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)會(huì)如何變形?還有一些是循環(huán)測(cè)試，其中加載溫度循環(huán)或機(jī)械循環(huán)，使樣品經(jīng)歷拉伸和壓縮循環(huán)，并將材料推向極限。

如果可以概括的話，不同的反應(yīng)堆操作員或開(kāi)發(fā)人員想要學(xué)習(xí)什么?

我可以把事情弄得很簡(jiǎn)單。他們關(guān)心的是錢，他們關(guān)心的是安全。你要確保反應(yīng)堆高效、安全地運(yùn)行。

目前一些反應(yīng)堆運(yùn)營(yíng)商希望將核反應(yīng)堆的可運(yùn)行性維持到 80 年或 100 年。無(wú)需建造新反應(yīng)堆，他們就能運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間，這對(duì)他們來(lái)說(shuō)是一件好事。如果我們認(rèn)為這不取決于經(jīng)濟(jì)因素和人們是否會(huì)賺錢，那我們就是在自欺欺人。但他們必須安全地運(yùn)行。

我不想談?wù)摼唧w的挑戰(zhàn)和問(wèn)題，我知道他們中的一些人正在努力解決這些問(wèn)題，但你們正在考慮將材料推向極限。當(dāng)材料受到輻射時(shí)，它們通常會(huì)在一定水平上飽和，性質(zhì)不會(huì)改變。這發(fā)生在反應(yīng)堆壽命的早期——在 300°C 下運(yùn)行三到五年。但如果材料正在降解，腐蝕會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化。我認(rèn)為他們現(xiàn)在對(duì)輕水反應(yīng)堆技術(shù)已經(jīng)掌握得很好了。所以我們實(shí)際上只是在幫助他們維護(hù)其組件的安全。

對(duì)于先進(jìn)反應(yīng)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(méi)有太多未知的未知數(shù)。當(dāng)溫度升高時(shí)，材料的性能不一定會(huì)發(fā)生變化，但你可以看到在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行的材料發(fā)生相變。你會(huì)看到在 300°C 下通常不會(huì)發(fā)生的機(jī)制，如熱蠕變。我們可以提供材料測(cè)試數(shù)據(jù)，幫助那些先進(jìn)反應(yīng)堆供應(yīng)商制定許可案例。

SPL 如何測(cè)試用于聚變應(yīng)用的材料?

在許多情況下，裂變與熱核裂變重疊。在高溫和環(huán)境中，氦要么在材料上形成，要么在材料中擴(kuò)散。還有氫。當(dāng)你開(kāi)始談?wù)摬牧现械臍怏w形成時(shí)，它要么來(lái)自輻射，要么來(lái)自環(huán)境。在裂變系統(tǒng)中，熱中子與材料相互作用，可以發(fā)生嬗變，導(dǎo)致鈷、氫、鐵和氦在金屬內(nèi)部形成。氫往往相對(duì)容易在金屬中擴(kuò)散，在擴(kuò)散過(guò)程中，它會(huì)破壞內(nèi)部原子鍵，使位錯(cuò)更快地穿過(guò)材料。因此，它增強(qiáng)了塑性和變形。氫從內(nèi)部進(jìn)入，或者氫通過(guò)腐蝕從外部擴(kuò)散。理解其中的工作原理是一個(gè)真正的問(wèn)題。我總是說(shuō)——如果有疑問(wèn)，就怪氫。

氦通過(guò)嬗變中子進(jìn)入材料，但也可以通過(guò)氚的自然衰變進(jìn)入材料。所以問(wèn)題是，這會(huì)導(dǎo)致脆化嗎?這會(huì)限制斷裂韌性或拉伸性能的閾值嗎?這些因素會(huì)影響裂變和聚變，而 SPL 絕對(duì)可以影響這門(mén)科學(xué)。

您認(rèn)為 SPL 在國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的整個(gè)核工作范圍內(nèi)扮演著怎樣的角色?

去年我有幸參加了奧本海默科學(xué)與能源領(lǐng)導(dǎo)力項(xiàng)目。我們的團(tuán)隊(duì)在一年內(nèi)走訪了美國(guó)能源部的所有國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，與實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人進(jìn)行了交談，探討了挑戰(zhàn)和問(wèn)題。一個(gè)共同的主題出現(xiàn)了。這是兩個(gè)虛構(gòu)的詞，但它們讓我印象深刻：“合作競(jìng)爭(zhēng)”和“競(jìng)爭(zhēng)”。

美國(guó)能源部實(shí)驗(yàn)室必須合作。但自然也存在一些競(jìng)爭(zhēng)。我們一起工作，但我們也爭(zhēng)奪員工和資金。我努力保持開(kāi)放和外向的心態(tài)，并認(rèn)識(shí)到我們必須合作。

有了 SPL，INL 現(xiàn)在擁有了燃料設(shè)施和結(jié)構(gòu)設(shè)施。其他實(shí)驗(yàn)室也擁有結(jié)構(gòu)材料能力，但這并不是重復(fù)。主要問(wèn)題是我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)美國(guó)到 2050 年將核電容量增加三倍的目標(biāo)。我們無(wú)法孤立地做到這一點(diǎn)，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(shù)據(jù)發(fā)送到其他實(shí)驗(yàn)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(fā)送給你們，然后我們一起分析數(shù)據(jù)，我們可以更快地完成任務(wù)。所以我希望人們把這個(gè)設(shè)施看作是一個(gè)可以幫助他們實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的設(shè)施，而不是一個(gè)與他們競(jìng)爭(zhēng)的設(shè)施。