Colin Judge：在爱达荷州最新的热室设施中测试结构材料

法官站在 INL 的新样品制备实验室外。(图片：INL)

爱达荷国家实验室最新的设施——样品制备实验室 (SPL)——位于 1975 年开始运行的热燃料检查设施 (HFEF) 对面。SPL 将在 50 年来首次在 INL 的材料和燃料综合设施 (MFC) 中安装新热室，为 INL 研究人员和合作伙伴提供新的灵活性，以测试来自先进测试反应堆 (ATR) 或合作伙伴设施的新鲜辐照材料的结构特性。

必须在类似条件下测试用于承受裂变或聚变发电厂极端条件的材料，并使其突破极限，以便了解和改进其性能和局限性。辐射后，材料样品可以在 SPL 中切割成适当的尺寸，并包装起来，以便在 INL 或其他国家实验室、商业实验室或大学的其他设施中进行测试。但它们也可以在 SPL 中经受极端高温或腐蚀条件，并进行机械测试，Colin Judge 解释说，他是 INL 核材料性能部门主管，负责监督 SPL 和 MFC 的其他设施。

SPL 直到 2026 年 1 月才会开始“热运行”，但当 Judge 的团队将仪器搬进新设施时，他与NN特约撰稿人 Susan Gallier 谈论了它的功能。

您的材料科学职业生涯始于加拿大乔克河实验室。您目前在 INL 担任什么职务?您是如何走到这一步的?

我是核材料性能部门的主管，负责核设施的管理和运营。我们努力了解材料。我们将其分解为基本原理，然后将这些数据重新纳入工程规模，并将其与核反应堆的可操作性联系起来。

我是如何来到这里的，这个问题要回答得更长。我是加拿大人，2008 年加入加拿大原子能公司，在 Chalk River 为现在的加拿大核实验室工作。我一直从事材料科学的机械工程方面的工作。我要从反应堆中取出一些东西，把它打碎，然后试着了解它为什么会破碎，以及这种材料的极限是什么。我在加拿大做了 10 多年，在 Chalk River 和爱达荷州都使用过仪器，直到 2019 年加入 INL。

在加拿大，它们的运作方式与商业实验室类似。它们从联邦政府获得资金，但大部分收入来自商业收入。当我来到爱达荷州时，我尝试将同样的风格带入 INL 的工作中。我们开始进行更多更先进的反应堆工作，而我在行业中的经验也起到了帮助作用。我最初担任核科学用户设施的行业联络员。

但我的心血一直都集中在使用先进的显微镜技术进行材料表征上。当 MFC 的部门主任职位空缺时，我申请并担任了这个职位，至今已经快四年了。

法官在 SPL 的热室窗口旁。(照片：INL)

是什么使得 SPL 与众不同?

2021 年(上)和 2023 年(下)在 MFC 建造的 SPL。(图片：INL)我们于 2020 年开始建造样品制备实验室，但规划早在近十年前就开始了。我们已经有一段时间没有建造新的热室了，所以我们想为未来设计一些东西，利用新系统、机器人、摄像头——我们在能源部半个世纪的研究中学到的一切。

SPL 是非阿尔法设施。我们 ATR 的辐照实验通常从 ATR 转移到我们的 HFEF，后者拥有世界上最大的开放式热室之一。然后，我们会拆开包装，对其进行处理，并测试材料。问题在于，经过数十年的辐照燃料实验，HFEF 已受到阿尔法辐射的严重污染。即使非燃料测试样品通过 HFEF，也会限制我们可以发送该材料的地方，因为许多合作设施(包括国家实验室中子束中心或大学实验室)无法处理含阿尔法或受阿尔法污染的材料。

SPL 要做的一件大事就是让我们能够直接从 ATR 接收用于非燃料实验的材料，然后将其拆开、加工、切割并送去进行研究。我们希望人们将我们视为他们所拥有的东西的延伸，并了解我们如何帮助他们的设施更上一层楼。

您现在在 SPL 的调试中处于什么位置?

我们的目标是在 2026 年 1 月投入使用。大楼已经完工，我们在秋天举行了剪彩仪式。科研人员将于 2025 年 1 月与我们的技术操作员和运营团队一起搬进该设施。12 月中旬，我们开始安装一些科学设备和机器人。机械手几乎完工了。

下一年(2025 年)的工作是安装设备并进行操作准备和管理安全评估。我们将使用未受辐射的材料测试所有科学设备、所有显微镜和机器人，但要把它们当作具有放射性的材料。我们会问一些关于“假设”情景的挑战性问题，并向自己证明我们已经解决了如何应对的问题。例如，如果你掉落了一个样本会怎么样?这意味着什么，你会如何恢复?如果你在没有窗户的热室中失去了摄像系统的电源，你的恢复途径是什么?我们将回答这些问题，以便在热室出现故障时，我们不会感到意外。

SPL 可以通过哪些方式支持核电?

我们为 SPL 引入的一些新功能将帮助我们探索使用熔盐或气体作为冷却剂的先进反应堆结构材料的未知领域。SPL 内有几个区域，我们称之为实验测试台。这些屏蔽外壳将允许我们将实验移入其中进行短期测试活动。需要在极端环境下测试事物的人可以推入熔盐腐蚀回路，执行六个月，进行实验，然后将其移出，让热室空间为下一次实验做好准备。你不需要进行将占用空间 10 年的实验。

SPL 的设计旨在为我们提供额外的灵活空间。如果五年后有人来找我们，并提出了一个绝妙的想法，我们就可以实现它，因为我们不会占用过多的地面空间。

我们还计划直接从公用事业公司或通过核管理委员会或电力研究所接收轻水反应堆材料，将退役的反应堆变成实验用辐照材料来源。我们将切割成我们通常看不到的组件，代表能源部保存它们，然后我们可以在那里进行定型、研磨和抛光。

SPL 会进行任何燃料测试吗?

SPL 将研究结构部件，包括燃料包层、金属部件，也许还有一些陶瓷部件，但不包括燃料本身。目前，我们在燃料实验室中进行所有结构材料工作和燃料工作。通过拥有一个仅用于结构材料的新热室，我可以细分这些活动——优化燃料热室和结构热室，以便我们能够做更多的事情。

问题是，很多这些材料都已经过测试、表征和了解，适用于非辐照条件。这些材料中很少有被放入有中子的核反应堆中，然后在辐照后进行测试。因此，我们还需要做一些工作来更好地了解这些材料在辐照后的情况。

与在其他地方准备要表征的样品相比，在 SPL 下材料表征的程度如何?

我们的名字是样品制备实验室，准备样品送往其他地方是我们使命的一部分。但这不是我们唯一的使命。我认为如果我们称之为结构特性实验室，这将有助于解释我们的工作。

我可以澄清一下，SPL 不是燃料实验室。除此之外，我们还研究其他一切——结构特性和结构材料。我们所做的部分工作可以帮助其他人测试材料，但我们在 SPL 内部也配备了机械测试设备。我们可以拆开组件，然后使用先进的显微镜工具来尝试了解它们损坏的原因。然后，我们与建模和计算方面的同行合作，将其与反应堆的性能联系起来。

我们正在与合作伙伴合作，确定要测试哪些腐蚀环境。例如，我们将使用熔盐等系统探索高温下的材料特性。然后研究氦或氢对材料的影响，这对高温裂变反应堆和聚变反应堆都具有重要意义。我们几乎无论反应堆设计如何，都专注于材料。

SPL 正在进行设备安装。(图片：INL)

那么你们会将材料置于 SPL 的极端条件下吗?你们不会简单地处理在其他地方暴露的样品吗?

是的。当我们进行实验以了解性能时，辐射是其中的一部分，但当我们对辐射材料进行高温测试或腐蚀环境中的高温测试时，我们可以更好地了解降解机制以及它们如何分解或承受降解。在理想世界中，我们希望一切都能承受一切，因此在许多情况下，我们会研究这些限制并尝试设计更好的材料，以使它们不会降解。

事实是，当你把任何类型的材料放在核反应堆等极端环境中时，它们都会发生变化。安全的前提是，我们了解正在发生的事情，并且不会出现任何意外。

样本在 SPL 内是如何移动和测试的?

我们使用气动传输管(类似老式的管道)将样品输送到整个设施。这些管道都与主热室相连，我们所有的屏蔽外壳都直接与主热室相连。

在这些屏蔽罩内，有专门的机器人负责将气动传输的物料装载到我们的系统中。我们有三个屏蔽罩，其中一个是我们已经讨论过的实验测试台。

第二台显微镜具有 XRD(X 射线衍射)功能和二次电子显微镜工具，配有双束聚焦离子束 (FIB) 作为小型加工工具。您可以烧蚀材料并获得非常小体积的材料，然后将其放入其他显微镜中进行研究，甚至可以测试小尺寸拉伸试样和机械测试试样。

第三个外壳中的系统是用于表面科学的 X 射线光电光谱 (XPS)。如果我们在将材料暴露于熔盐中的高温后产生了不同的氧化物，并且我们想要确定形成了哪些氧化物以及材料如何降解和腐蚀，我们可以使用 XPS 来确定它是保护性氧化物还是会降解并导致局部腐蚀，从而导致部件失效。

小样本测试有什么好处?

一旦我们用 FIB 处理非常非常小的样本(可以处理非常薄的 10 微米 x 10 微米样本)，如果唯一的辐射源是 β 或 γ，那么在这个量级下，辐射量低于被认定为微量辐射的阈值。虽然辐射量不可忽略，但我可以将其放入包裹中，然后将其运送到美国各地，而无需贴上外部标签，因为它不构成危险。美国和加拿大的大多数大学都可以处理这种情况。

或者我们可以将材料搬到隔壁的辐照材料特性实验室(IMCL)，我认为我们在那里拥有核设施中最完整的功能，该建筑专门用于进行先进的材料特性和测试。

您曾提到 SPL 中的机器人技术和自动化。您是否需要为 INL 引进新的和不同的专家来构建这些能力?

热室中机器人的想法是 SPL 最初概念和设计的一部分。辐射往往会损坏电子设备，因此，热室中装有可能损坏的摄像头和机器人的想法是有风险的。装有这些设备的热室没有大量的材料库存，因此不会持续受到轰击。我们将必须进行预防性维护、规划和监控，并且我们可以根据需要按照我们确定的频率更换这些系统。

我们机械性能测试单元中的主机器人看起来像《迷失太空》中的机器人。它可以垂直移动、旋转，并且有两个手臂，你可以操作它并移动它，就像在热室中操作典型的操纵器一样。或者你可以用看起来像视频游戏控制器的东西来操作它。我们已经开始在那个空间培训操作员。我们可以向研究赞助商展示我们使用这些机器人所做的工作——这样你就可以看到和观察我们正在做的事情，而不必来到爱达荷州。

我们确实需要建立一些新的专业知识。我们正尝试将人工智能和机器学习融入这些系统，以便突破半自动和自动机器人的极限。

一旦 SPL 开始流行，有没有准备好工作的公司?

是的。我们有客户，也有能源部赞助的项目和活动。核科学用户设施在第一天就会开展一些活动。我们有一些先进的反应堆供应商——我不会透露他们的名字——他们正在研究一些已经符合规范要求的金属部件和金属，但他们希望在不同的场景和环境下对其进行特性描述，以建立他们的许可案例。然后，我们现在正在与一些供应商进行谈判，讨论如何优化这些实验测试台的工作。

我真正想澄清的是，我们不仅仅是一个“来找我们，测试一下，然后给你数据”的实验室。有时人们不知道确切有哪些选择。我们可以利用我们在这方面的经验和背景帮助他们塑造他们的计划。

我们目前正在与一些赞助商合作，研究他们想要进行哪些类型的测试。其中一些是机械测试，因此只是纯拉伸性能。一些是蠕变性能，那么材料在高温下低负荷但长时间内会如何变形?还有一些是循环测试，其中加载温度循环或机械循环，使样品经历拉伸和压缩循环，并将材料推向极限。

如果可以概括的话，不同的反应堆操作员或开发人员想要学习什么?

我可以把事情弄得很简单。他们关心的是钱，他们关心的是安全。你要确保反应堆高效、安全地运行。

目前一些反应堆运营商希望将核反应堆的可运行性维持到 80 年或 100 年。无需建造新反应堆，他们就能运行更长时间，这对他们来说是一件好事。如果我们认为这不取决于经济因素和人们是否会赚钱，那我们就是在自欺欺人。但他们必须安全地运行。

我不想谈论具体的挑战和问题，我知道他们中的一些人正在努力解决这些问题，但你们正在考虑将材料推向极限。当材料受到辐射时，它们通常会在一定水平上饱和，性质不会改变。这发生在反应堆寿命的早期——在 300°C 下运行三到五年。但如果材料正在降解，腐蚀会随着时间的推移而变化。我认为他们现在对轻水反应堆技术已经掌握得很好了。所以我们实际上只是在帮助他们维护其组件的安全。

对于先进反应堆，你必须了解自己知道什么，努力了解自己不知道什么，并希望自己没有太多未知的未知数。当温度升高时，材料的性能不一定会发生变化，但你可以看到在高温下长期运行的材料发生相变。你会看到在 300°C 下通常不会发生的机制，如热蠕变。我们可以提供材料测试数据，帮助那些先进反应堆供应商制定许可案例。

SPL 如何测试用于聚变应用的材料?

在许多情况下，裂变与热核裂变重叠。在高温和环境中，氦要么在材料上形成，要么在材料中扩散。还有氢。当你开始谈论材料中的气体形成时，它要么来自辐射，要么来自环境。在裂变系统中，热中子与材料相互作用，可以发生嬗变，导致钴、氢、铁和氦在金属内部形成。氢往往相对容易在金属中扩散，在扩散过程中，它会破坏内部原子键，使位错更快地穿过材料。因此，它增强了塑性和变形。氢从内部进入，或者氢通过腐蚀从外部扩散。理解其中的工作原理是一个真正的问题。我总是说——如果有疑问，就怪氢。

氦通过嬗变中子进入材料，但也可以通过氚的自然衰变进入材料。所以问题是，这会导致脆化吗?这会限制断裂韧性或拉伸性能的阈值吗?这些因素会影响裂变和聚变，而 SPL 绝对可以影响这门科学。

您认为 SPL 在国家实验室的整个核工作范围内扮演着怎样的角色?

去年我有幸参加了奥本海默科学与能源领导力项目。我们的团队在一年内走访了美国能源部的所有国家实验室，与实验室负责人进行了交谈，探讨了挑战和问题。一个共同的主题出现了。这是两个虚构的词，但它们让我印象深刻：“合作竞争”和“竞争”。

美国能源部实验室必须合作。但自然也存在一些竞争。我们一起工作，但我们也争夺员工和资金。我努力保持开放和外向的心态，并认识到我们必须合作。

有了 SPL，INL 现在拥有了燃料设施和结构设施。其他实验室也拥有结构材料能力，但这并不是重复。主要问题是我们如何实现美国到 2050 年将核电容量增加三倍的目标。我们无法孤立地做到这一点，我们必须加快速度。我们加快速度的唯一方法是合作并使用 SPL 作为集中枢纽将数据发送到其他实验室，即使这是我们可以在 INL 做的事情。如果我将一半的样本发送给你们，然后我们一起分析数据，我们可以更快地完成任务。所以我希望人们把这个设施看作是一个可以帮助他们实现目标的设施，而不是一个与他们竞争的设施。