氫鈾反應起始過程首次完整記錄
來源：科技日報 時間：2026-06-01 15:39
聚變能源、儲氫和核燃料等先進能源項目，都離不開對金屬—氫反應細節(jié)的深入理解。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室科學家首次完整記錄了氫氣與鈾反應的起始過程，有望為鈾的降解提供更具預測性的物理模型。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《自然》出版集團旗下《npj·材料腐蝕》雜志。
氫氣與鈾金屬的相互作用會生成化學反應性粉末，引發(fā)難以遏制的失控反應，從而威脅聚變能源、儲氫和核燃料等關(guān)鍵技術(shù)的安全與壽命。
團隊解釋說，氫與鈾的相互作用，恰似地表水沿著裂縫滲入地下——氫溶解并擴散到鈾金屬內(nèi)部，悄無聲息，直至鈾再也無法容納。二者結(jié)合會生成名為氫化鈾的新化合物。
隨著氫化鈾生成，其體積相比原始鈾大幅膨脹，壓力也隨之驟增。氫化鈾不斷脹大并被推向鈾的表面，在那里鼓起一個微小的“水泡”?！八荨背掷m(xù)生長，直到表面再也承受不住壓力，“水泡”破裂，如同間歇泉噴涌，猛烈釋放出氫化鈾粉末。
為了設(shè)計持久耐用的聚變反應堆、高效的儲氫裝置，以及可安全儲存數(shù)十年的核燃料，必須弄清這種氫鈾“水泡”如何萌生。但要捕捉這一肇始狀態(tài)，一直是個巨大挑戰(zhàn)。
為攻克這一難題，團隊采用了白光干涉術(shù)，通過測量從鈾表面反射的光與參考光束之間的干涉，拼湊出一幅微米級的表面狀態(tài)圖。這種方法的靈敏度足以在不接觸、不破壞氫化物“水泡”的條件下進行觀察——那些“水泡”又寬又淺，極難窺探。
團隊在反應全程反復掃描同一塊鈾表面，構(gòu)建出逐幀影像。結(jié)果顯示，在氫氣“入侵”后的62分鐘內(nèi)，鈾表面紋絲未變；緊接著，第一個氫化物“水泡”驀然出現(xiàn)。從現(xiàn)身、膨脹到破裂并噴出氫化鈾粉末，整個過程被完整記錄下來。
這項工作目前僅在較窄溫度范圍（50℃）、單一氫氣壓力（13.8千帕）和特定材料狀態(tài)下完成。下一步，團隊計劃在更寬泛條件下開展相關(guān)研究。白光干涉術(shù)也可用于探查氫與其他金屬的反應，這對氫化物超導體的快速發(fā)展以及其他降解問題的研究，均具有重要意義。（劉霞）
責任編輯：于彤彤
