Adriean Couet, Ph.D., Assistant Professor at the University of Wisconsin-Madison’s Department of Engineering Physics
对大多数科学家来说，气候变化是真实存在的。科学家面临的挑战是找到更多更好的能源来发电，从而减少向大气中排放温室气体。
核能一直是一个有吸引力的选项，其约占美国电力供应的 20%。这一比率略高于全球水平的约 14%。在法国，这一比例甚至高达 75%。
然而，美国目前的核反应堆正在老化。它们中的大部分由工程师在上世纪 70 年代和 80 年代建造。部分已经达到了其许可寿命的终点，其所有者面临要么关停，要么努力延长许可寿命的难题。
科学家们正在开发全新的下一代技术，以生产更高效、更便宜、寿命更长的核电站。设计将包括被动安全性，反应堆在紧急情况下会自动关闭。
威斯康星大学麦迪逊分校工程物理系副教授 Adriean Couet 博士正在研究这些进展。
他的工作是了解核材料的老化，以及如何影响这些先进核反应堆的设计，以获得更长的寿命和效率。
“我确实在努力寻找能够经受新一代核反应堆环境条件的材料，”他说。“我们想适应更恶劣的环境，比如更高的温度。”
水冷这种传统的冷却方式，已经无法适应温度更高的下一代核反应堆。
传统核反应堆的工作原理是将核燃料棒并置在一起，浸入水中。核裂变中原子分裂并以热的形式释放能量，进而提高水的温度。水转化为蒸汽，驱动涡轮机发电。
在不加压的情况下达到更高温度的一种方法是使用替代冷却介质，如气体、熔融盐和能够传热的液态金属。这是先进核技术的一部分。
Couet 说道“对于下一代核反应堆来说，由于我们需要提高温度来提高工厂效率，水冷却剂不再适合了。”
反应堆的环境条件很恶劣。材料被暴露在高温、辐照损伤和腐蚀性介质中。
“当你为核电站设计结构材料时，这种材料与冷却剂接触。这是反应堆传递热量或容纳冷却剂的地方。它可能具有很强的腐蚀性。”他说。
以熔融盐为例。把你的车放在海边一年，它会被腐蚀。那是因为海洋空气更咸，盐会粘附在你的车上。盐具有很强的腐蚀性。如使用熔盐，在先进核反应堆中情况基本一致，因为熔盐比普通的水具有更强的腐蚀性。
Couet 说：“就材料而言，腐蚀是先进核反应堆的一个大问题，因为即将使用的新介质腐蚀性更强。”
先进核电厂希望找到能够承受下一代反应堆恶劣条件的材料。例如，在航空航天工业和其他高温应用中，工程师使用镍合金、钢和其他高温合金。研究人员测试能够承受这种环境且腐蚀较少的新合金， Couet 博士处于这项工作的最前沿。
反应堆中使用的材料必须能承受几十年的高温、腐蚀和辐照。随着时间的推移，这三种环境条件会降低材料的性能。
“在实验室复制这些条件非常具有挑战性，” Couet 说道。“你需要辐射、温度，也许是熔融盐或液态金属。所以这极具挑战性，这也是我的团队正在试图重现的事情。”
他试图复制核反应堆的条件，并测试不同合金的降解情况。为此，他使用大型熔炉将一升样品的温度提高到数百摄氏度，并持续数千小时。
“我们试图了解材料的降解，并可能在未来模拟这种降解，”他说。“如果我们可以模拟降解或为其建模，我们就可以预测，在更长的暴露时间内，材料将如何表现。”
他的团队将每个合金和冷却介质样品在这些条件下暴露 1000 小时或更长时间，然后对样品进行表征。为测试样品，Couet 使用了多种材料表征技术，包括电子显微镜。他还使用了 HORIBA GD-Profiler 2™辉光放电光发射光谱测定法（GD-OES）。他对腐蚀后的样品（可能是一种新合金）进行钻孔，并能够在纳米深度测量合金中的元素浓度。这有助于确定恶劣的人工环境对样本有何种影响。
“我们想知道环境渗透到样品中的深度，或材料化学降解的深度，”他说。“我们仍在使用已经在核电站使用了六七十年的材料。它们工作得很好，但我们仍然没有真正了解它们腐蚀的基本原理。因此，即使该材料工作良好并且已经使用了数十年，尝试了解基础科学仍然很有趣，因为这样就有机会将其应用于其他尚无太多经验的高级系统。”
我们离核技术的新时代还有多远？
“说实话，不远！” Couet 说道。
世界各国已经用这些新技术建造了几个试验反应堆。这包括美国、法国、俄罗斯、日本和中国。在美国，私营经济在过去十年里一直在该领域进行投资。这笔资金与能源部的资金一起，为这套新技术提供了资金来源。
Couet 说道：“有很多投资者，事实上初创公司和新公司已经出现。”“有时是为了开发一个更新的反应堆，有时是为了给核部门提供服务。我认为这是自民用核能诞生以来，核能历史上首次出现公共和私人资金之间的某种协同效应。”
Couet 说，过去学生来大学做研究生阶段的研究，他们都想在国家实验室或大型公共事业单位工作。现在越来越多的学生想在创业公司工作，面对新的挑战并承担风险。
根据 Couet 的说法，这项新技术可能还需要 10 年才能开始发电。此外，它可能要到 2040 年才能为电网做出贡献。
然而，尽管反应堆需要更好的材料，同时还需要更多可再生能源和清洁能源，Couet 本质上仍然是一名纯粹的科学家。
“有时候你为了科学而研究科学，”他说。“尽管这可能有点争议，但为了更好地理解我们的宇宙和环境而研究科学也是一件美好的事情。”
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