氢铀反应起始过程首次完整记录

聚变能源、储氢和核燃料等先进能源项目，都离不开对金属—氢反应细节的深入理解。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室科学家首次完整记录了氢气与铀反应的起始过程，有望为铀的降解提供更具预测性的物理模型。相关论文发表于新一期《自然》出版集团旗下《npj·材料腐蚀》杂志。

当氢气与铀反应时，会先形成气泡（a），继而破裂（b），释放出氢化铀粉末。这种相互作用会导致表面退化（c），进而影响材料的安全性与寿命。图片来源：美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室

氢气与铀金属的相互作用会生成化学反应性粉末，引发难以遏制的失控反应，从而威胁聚变能源、储氢和核燃料等关键技术的安全与寿命。

团队解释说，氢与铀的相互作用，恰似地表水沿着裂缝渗入地下——氢溶解并扩散到铀金属内部，悄无声息，直至铀再也无法容纳。二者结合会生成名为氢化铀的新化合物。

随着氢化铀生成，其体积相比原始铀大幅膨胀，压力也随之骤增。氢化铀不断胀大并被推向铀的表面，在那里鼓起一个微小的“水泡”。“水泡”持续生长，直到表面再也承受不住压力，“水泡”破裂，如同间歇泉喷涌，猛烈释放出氢化铀粉末。

为了设计持久耐用的聚变反应堆、高效的储氢装置，以及可安全储存数十年的核燃料，必须弄清这种氢铀“水泡”如何萌生。但要捕捉这一肇始状态，一直是个巨大挑战。

为攻克这一难题，团队采用了白光干涉术，通过测量从铀表面反射的光与参考光束之间的干涉，拼凑出一幅微米级的表面状态图。这种方法的灵敏度足以在不接触、不破坏氢化物“水泡”的条件下进行观察——那些“水泡”又宽又浅，极难窥探。

团队在反应全程反复扫描同一块铀表面，构建出逐帧影像。结果显示，在氢气“入侵”后的62分钟内，铀表面纹丝未变；紧接着，第一个氢化物“水泡”蓦然出现。从现身、膨胀到破裂并喷出氢化铀粉末，整个过程被完整记录下来。

这项工作目前仅在较窄温度范围（50℃）、单一氢气压力（13.8千帕）和特定材料状态下完成。下一步，团队计划在更宽泛条件下开展相关研究。白光干涉术也可用于探查氢与其他金属的反应，这对氢化物超导体的快速发展以及其他降解问题的研究，均具有重要意义。