洛斯阿拉莫斯的中子视野：探索核材料科学的前沿

光束线科学家 Sven Vogel 将高放射性辐照后核燃料样品安装到卢汉中心飞行路径 4 (HIPPO) 上的样品室中。样品室配备了一个机械臂，能够在来自散裂靶的脉冲热中子束内精确定位和定向样品。这种先进的装置可以同时进行中子衍射和布拉格边缘成像，使研究人员能够在受控条件下分析辐照核燃料的结构和微观结构特性。(图片：LANL)

在材料科学中，了解看不见的事物——材料在现实条件下的内部行为——一直是开发新材料和加速创新技术推向市场的关键。此外，让我们看到这个看不见的材料世界的工具往往是改变游戏规则的因素。其中，中子成像是一种独特而强大的方法，无需改变或破坏样品即可研究材料的内部结构和行为。通过利用中子的独特性质，研究人员可以揭示材料的隐藏行为，为推进核材料和技术提供必不可少的见解。

表征核材料：为什么是中子、为什么是成像、为什么是现在?

中子是探测材料特性的绝佳工具，与其他技术相比具有独特的优势。与与电子壳相互作用的 X 射线不同，中子与原子核相互作用。这种根本差异为成像方面的对比度生成创造了复杂而迷人的前景。更具体地说，中子相互作用不遵循 X 射线或质子观察到的可预测趋势，因为它们高度依赖于同位素，并且对于任何给定的同位素，中子能量都会发生显著变化。这使得中子通常能够轻松穿透致密、重的材料，同时对氢等较轻的元素保持极高的灵敏度。这种深度穿透性、对轻元素的灵敏度和能量依赖性相互作用的结合使中子成为研究核系统中材料的独特工具。中子在极端条件下探测材料特别有效。无论是在高温下进行现场测量还是分析需要厚屏蔽的辐照样品，中子都能提供独特的见解，这对于增进我们对核材料的理解至关重要，并为模拟和最终的核反应堆许可提供所需的可靠数据。

洛斯阿拉莫斯中子科学中心 (LANSCE) 的鸟瞰图，展示了位于新墨西哥州北部风景秀丽的台地上的加速器综合体的前端。(图片：LANL)

衍射等中子散射技术对于研究核能的关键材料具有重要意义，尤其是对于了解它们的晶体结构及其在极端条件下的行为。然而，这些技术侧重于整体特性，无法捕捉空间变化，例如样品中的晶体相分布、材料缺陷或化学和同位素组成。虽然整体特性提供了坚实的基础，但开发先进反应堆的材料需要更深入地了解特性在极端条件下的变化。随着建模和仿真工具变得越来越复杂，这种需求尤为迫切，推动了对实验数据的需求不断增长，这些数据可以捕捉空间分辨的材料响应，以验证和增强其预测能力。

偶然的是，过去十年左右成像技术的进步使中子成像能够满足对核材料进行更详细、更全面的表征的日益增长的需求。探测器灵敏度、空间分辨率和采集模式的改进扩展了中子成像的功能，使研究人员能够以前所未有的清晰度可视化材料的内部结构和动态。这些进步将中子成像从定性方法转变为精确的定量工具，允许高分辨率映射微观结构和同位素分布——即使在高温极端条件下或在辐照后环境中也是如此。

这种理解水平不仅仅是一项科学努力——它对于确保下一代反应堆的安全性、效率和寿命至关重要，下一代反应堆将在全球向更清洁、更可靠的能源转型中发挥关键作用。随着下一代核反应堆设计越来越接近许可和部署，对更深入地了解对其成功至关重要的材料的需求正在迅速增长。这些先进的反应堆被设计成在比传统系统更极端的条件下运行，包括更高的温度、腐蚀性环境和更大的辐射暴露。应对这些挑战需要先进的表征工具，这些工具可以全面洞察材料在如此苛刻的条件下如何响应和演变。

洛斯阿拉莫斯核材料表征的先进中子成像

洛斯阿拉莫斯国家实验室以其在锕系元素研究和材料科学方面的专业知识而闻名，这些研究通常涉及在极端环境中处理高度危险的材料，但其将尖端中子科学与此类能力相结合的独特能力在核能界的专业研究圈之外鲜为人知。该实验室是洛斯阿拉莫斯中子科学中心 (LANSCE) 的所在地，拥有世界一流的质子加速器，配备两个中子散裂源用户设施：Lujan 中心(慢化中子)和武器中子研究 (WNR) 设施(非慢化中子)。

LANSCE 的两个散裂中子源(Lujan 中心和武器中子研究设施)的布局。(图片：LANL)

这些散裂源由短质子脉冲驱动，这是实现先进中子成像技术的关键特性。通过了解中子产生的确切时间，并使用在检测到中子时进行时间标记的先进成像探测器，研究人员可以根据飞行时间技术进行能量分辨中子成像。正是这种方法让研究人员能够利用独特的、能量依赖的中子截面逐像素提取详细的同位素或微观结构信息。

洛斯阿拉莫斯在处理高危材料方面拥有独特的专业知识和基础设施，进一步增强了这一能力。在这些设施中，研究人员可以应用这些先进的中子成像技术，以前所未有的细节研究锕系元素(如铀和钚)的材料特性。这些材料可以以多种形式(液体、固体，甚至辐照后)进行研究，并在各种极端条件下进行研究。这些能力共同使 LANSCE 成为核能领域变革性材料科学研究的独特中心，加速创新并扩大我们对推进下一代反应堆设计至关重要的材料的理解。

在 LANSCE，中子成像通过多条飞行路径进行，每条飞行路径都针对特定的研究需求量身定制，并提供独特的成像模式。在 Lujan 中心，飞行路径 11(称为 ASTERIX)专门从事冷中子成像，该技术擅长探测给定材料中的轻元素和精细结构细节。ASTERIX 支持先进技术，例如使用中子光栅干涉法的相位对比成像和暗场成像，以及基于传统衰减方法的氢映射。相位对比成像增强了界面和细微密度变化的可见性，而暗场成像则提供了对纳米级结构变化(例如裂缝、空隙和相分布)的洞察。氢映射利用冷中子对氢的高灵敏度来量化其在材料中的分布，这一能力对于研究核材料中的氢迁移、脆化和其他与氢相关的现象至关重要。这些模式共同使 ASTERIX 成为一种多功能且强大的中子成像飞行路径，有助于增进对各种条件下材料行为的理解。

除了冷中子成像外，LANSCE 还在 Lujan 中心的飞行路径 5 (ERNI) 和飞行路径 4 (HIPPO) 上提供先进的热中子成像和超热中子成像功能。这些光束线支持中子共振成像 (NRI) 和布拉格边缘成像 (BEI) 等技术，这些技术擅长测量材料中的同位素和微观结构分布。NRI 利用中子独特的能量相关吸收特性来生成同位素组成的二维图。通过采用计算机断层扫描 (CT) 方法，NRI 能够对样品内的同位素密度进行详细的三维映射，从而以亚毫米分辨率深入了解内部组成。这种能力对于研究辐照核燃料等复杂材料尤其有价值，在这些材料中，了解铀和钚等同位素以及其他成分的分布对于评估性能和安全性以及验证模型至关重要。成像的非破坏性使得该技术特别适合用于分析辐照核燃料，因为它甚至可以为封闭在屏蔽容器中的样品提供详细的同位素图。这些 3D 图提供了有关燃料内部成分以及潜在裂变产物的关键见解，并且可以通过识别要进行破坏性分析的感兴趣区域来指导辐照后检查。NRI 结合了处理高放射性材料的能力以及其精确度和无损性方法，是一种强大的材料表征工具，可增强对核燃料行为的整体了解，尤其是在用作补充辐照后检查技术时。

卢汉中心飞行路径 5 (ERNI) 上的定制紧凑型成像炉，专为基于熔盐中子成像的热物理特性测量而设计。这款定制炉可在 12 英寸高的加热区内达到高达 1,200°C 的温度，从而实现熔盐的密度和粘度等精确的热物理测量。(图片：LANL)

虽然 NRI 是 ERNI 的主要关注点，但 BEI 是 HIPPO 的一项突出功能。HIPPO 被公认为一款成熟的飞行时间中子衍射仪，现已升级为具有中子成像功能，可同时进行成像和衍射测量。这种集成改变了游戏规则，因为它使研究人员能够将成像的空间分辨率与体衍射测量的灵敏度结合起来。在这里，从晶格平面衍射的中子会在成像和衍射中产生互补信号：衍射检测到散射出光束的中子信号增加，而成像记录到光束强度相应降低。使用相位分数和纹理等体衍射测量，研究人员可以更好地约束和解释 BEI 期间记录在每个像素中的透射光谱。这种协同作用直接提高了空间分辨微结构的准确性和质量，使 HIPPO 成为一种强大的工具，可在各种条件下提供高质量和全面的材料行为洞察。

光束线科学家在飞行路径 4 (HIPPO) 上安装紧凑型 LumaCam。在飞行路径 4 上建立这种成像能力的资金由核科学用户设施 (NSUF) 计划提供。2024 年 2 月成功进行了首次高辐照核燃料的同步衍射和成像测量。(照片：LANL)

除了卢汉中心的飞行路径外，WNR 设施还运行着一条高脉冲、无慢化中子成像飞行路径，称为飞行路径 60-R。该飞行路径针对 MeV 中子成像进行了优化，这为穿透致密材料(例如几厘米厚的钢或铅)提供了独特的优势，同时还能够识别氢、碳、氧和硅等较轻的元素。这些功能使飞行路径 60-R 特别适合用于核废料检查的技术开发，即使在重型屏蔽的情况下也可以无损地表征内部内容。通过利用飞行时间技术确定中子能量，研究人员可以利用较轻元素横截面内独特的同位素特异性结构来绘制核废料包内元素组成的空间分布。这种脉冲 MeV 中子成像方式(称为快中子共振射线照相术)最近已被证明可以有效识别和绘制模拟废物容器和其他样本中的残留水、潜在有毒物质和其他轻元素化合物。

虽然将乏燃料运送到 LANSCE 进行特性分析在经济上不可行，但在 Flight Path 60-R 上改进的中子成像方法为未来使用紧凑型短脉冲中子源进行现场分析奠定了基础。这种尖端的非破坏性成像技术将通过提供对废物组件内部结构和成分的详细了解，实现更安全、更高效的反应堆现场局部废物评估，从而大大减少打开容器进行进一步检查的潜在需要——这一过程既昂贵又具有挑战性。

卢汉中心飞行路径 4 (HIPPO) 的俯视图，可以看到探测器室内装有 1,200 多个氦-3 中子探测器(此处不可见)。最近，研究人员在该飞行路径上安装了一种先进的中子成像系统，称为 LumaCam，以便同时进行飞行时间中子衍射和能量分辨中子成像。除了以透射模式运行的 LumaCam 进行成像外，研究人员还在探索将这些系统用于衍射模式，作为氦-3 探测器的潜在替代品，为中子散射飞行路径能力的创新进步铺平道路，并增强 HIPPO 在尖端材料研究中的多功能性。(照片：LANL)

虽然先进中子成像是重点，但 LANSCE 继续利用传统的射线照相方法满足核能部门的需求。一个典型的例子是应用中子成像研究熔盐的热物理性质，这对先进的核能和能源系统至关重要。要达到此类研究所需的高温，就必须使用笨重的熔炉，而腐蚀性化学物质需要大量的密封，这使得中子成像特别有利。中子不仅具有穿透致密密封材料的高穿透性，而且还提供灵敏的对比度，可以非常清晰地突出显示氟化物或氯化物基盐。LANSCE 的研究人员使用专门的装置开发了中子成像系统，可以远程无损地测量含锕系元素的氯化物基熔盐中密度和粘度等关键热物理性质随温度的变化。

装入炉中的 NaCl+PuClx 盐混合物的五张中子衰减图像，拍摄温度范围从环境温度到约 850°C。这些图像捕捉了样品随温度升高而发生的体积膨胀，突显了中子成像提供高质量密度测量的能力，因为研究人员可以在整个实验过程中实时监测样品材料。(图片：LANL)

使用基于成像的技术的一大优势是能够在整个测量过程中直观地监控样品。通过对样品的持续“观察”，研究人员可以实时评估熔盐样品的状态，确保实验的完整性。例如，研究人员可以检测和解决诸如熔体中形成气泡等问题，否则这些问题可能会影响测量质量并影响最终数据。此外，与传统的热物理测量相比，中子成像技术通常需要的材料量较少。例如，使用中子成像测量熔盐毛细管的密度通常需要不到 10 克的样品材料。这种最低限度的材料要求和对样品完整性的即时反馈使中子成像成为一种非常有价值的工具，有助于促进对复杂熔盐系统的理解，尤其是在极端环境下含锕系元素材料的情况下。

迄今为止，LANSCE 的熔盐研究团队已成功对铀基氯化物系统进行了多项密度测量并发表了相关成果，证明了中子成像对这些具有挑战性的材料的有效性。此外，该团队还通过 GAIN(核能加速创新门户)优惠券与行业合作伙伴合作，测量了几种钚基氯化物的密度。此次合作凸显了中子成像在熔盐反应堆领域热物理性质测量中日益重要的作用。

围绕中子成像和核能材料建立社区

先进中子成像技术在研究核材料的材料特性、同位素组成和热物理特性方面的应用正在不断扩大。由于其中许多技术仍在开发中，这个处于中子成像、材料科学和核能交叉领域的跨学科社区正处于关键时刻。核材料科学中子成像的持续进步将需要共同努力来改进成像方法、改进仪器，并让社区参与推动针对核能系统独特材料挑战的创新应用。通过建立一个以中子成像为中心的强大社区，我们可以加速材料开发，以满足下一代反应堆的需求。

能量分辨中子成像的进步得益于最先进的相机技术，例如采用 Timepix 等事件模式成像传感器的技术。Amsterdam Scientific 和 LoskoVision 等公司开发的商业系统为中子成像提供了高度可配置且用户友好的解决方案。这里展示的就是这样一种相机系统，安装在 Lujan 中心的 Flight Path 5 (ERNI) 上，能够支持布拉格边缘成像和中子共振成像等先进技术。这些系统被称为 LumaCams，现已部署在 LANSCE 的所有中子成像飞行路径上，为材料科学提供无与伦比的高分辨率能量分辨成像能力。(照片：LANL)

对于那些有兴趣加入这个新兴社区或探索中子成像在自己研究中的潜力的人来说，在 LANSCE 有很多合作和提出新想法的机会。每年早春，LANSCE 的材料科学项目都会发出提案征集，邀请世界各地的研究人员提交关于在 Lujan 中心或 WNR 设施的光束线上进行测量的想法。提案将根据优点和可用资金进行审查和授予，为研究人员提供使用世界一流中子设施的独特机会。此外，LANSCE 是核科学用户设施 (NSUF) 的合作伙伴，为研究人员提供专门用于对辐照后材料进行中子散射实验的资金。这一机会利用了 LANSCE 的独特地位，该设施将世界一流的中子散射能力与处理危险和高辐照材料的授权和基础设施相结合。研究人员可以对高辐照材料进行最先进的辐照后检查测量。