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聚變能源、儲(chǔ)氫和核燃料等先進(jìn)能源項(xiàng)目，都離不開(kāi)對(duì)金屬—?dú)浞磻?yīng)細(xì)節(jié)的深入理解。美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家首次完整記錄了氫氣與鈾反應(yīng)的起始過(guò)程，有望為鈾的降解提供更具預(yù)測(cè)性的物理模型。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《自然》出版集團(tuán)旗下《npj·材料腐蝕》雜志。

氫氣與鈾金屬的相互作用會(huì)生成化學(xué)反應(yīng)性粉末，引發(fā)難以遏制的失控反應(yīng)，從而威脅聚變能源、儲(chǔ)氫和核燃料等關(guān)鍵技術(shù)的安全與壽命。

團(tuán)隊(duì)解釋說(shuō)，氫與鈾的相互作用，恰似地表水沿著裂縫滲入地下——?dú)淙芙獠U(kuò)散到鈾金屬內(nèi)部，悄無(wú)聲息，直至鈾再也無(wú)法容納。二者結(jié)合會(huì)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(gè)微小的“水泡”?！八荨背掷m(xù)生長(zhǎng)，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(jì)持久耐用的聚變反應(yīng)堆、高效的儲(chǔ)氫裝置，以及可安全儲(chǔ)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(gè)巨大挑戰(zhàn)。

為攻克這一難題，團(tuán)隊(duì)采用了白光干涉術(shù)，通過(guò)測(cè)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(jí)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(jìn)行觀(guān)察——那些“水泡”又寬又淺，極難窺探。

團(tuán)隊(duì)在反應(yīng)全程反復(fù)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(gè)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(gè)過(guò)程被完整記錄下來(lái)。

這項(xiàng)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(tuán)隊(duì)計(jì)劃在更寬泛條件下開(kāi)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(yīng)，這對(duì)氫化物超導(dǎo)體的快速發(fā)展以及其他降解問(wèn)題的研究，均具有重要意義。