石墨烯技術(shù)在核工業(yè)中的應(yīng)用文獻(xiàn)計(jì)量分析

侯夢(mèng)潔 夏蕓

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2106-5640-7897

摘? 要：石墨烯集卓越的力學(xué)性能、電學(xué)性能和導(dǎo)熱性能于一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術(shù)的潛力。本文從文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的角度，利用信息可視化軟件VOSviewer對(duì)石墨烯在核工業(yè)中的應(yīng)用相關(guān)研究文獻(xiàn)的熱點(diǎn)國(guó)家、研究機(jī)構(gòu)、學(xué)科分布，以及共被引文獻(xiàn)和前沿進(jìn)行分析，并對(duì)重要作者和機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析比對(duì)。經(jīng)過研究分析，得出石墨烯技術(shù)在核工業(yè)中的應(yīng)用方向?yàn)椋簩?duì)氫同位素、放射性核素的吸附、分離;復(fù)合材料的抗輻照性能研究;摻雜改性燃料;改性金屬材料表層;提高臨界熱流密度（CHF）;作為傳感器等六大類。

關(guān)鍵詞：石墨烯? 核工業(yè)? 文獻(xiàn)計(jì)量? VOSviewer

中圖分類號(hào)：F264? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2021）06（b）-0052-06

A Bibliometric Analysis of the Application of Graphene Technology in the Nuclear Industry

HOU Mengjie? XIA Yun*

（China Institute of Atomic Energy， Beijing， 102413? China）

Abstract： Graphene integrates excellent mechanical properties， electrical properties and thermal conductivity， and has the potential to enable and assist many disruptive technologies. From the perspective of bibliometrics， we use the information visualization software VOSviewer to analyze the hotspot countries， research institutions， discipline distribution， co-cited literature and frontiers of the research literature related to the application of graphene in the nuclear industry， and conduct analysis on important authors and institutions. After research and analysis， it is concluded that the application directions of graphene technology in the nuclear industry are： adsorption and separation of hydrogen isotopes and radionuclides; research on the radiation resistance of composite materials; doped modified fuel; modified metal material surface; improvement of the critical heat flux （CHF）; acting as a sensor.

Key Words： Graphene; Nuclear industry; Bibliometric; VOSviewer

核燃料與核材料是核工業(yè)的基礎(chǔ)和根本，是這一領(lǐng)域的技術(shù)制高點(diǎn)。隨著第四代反應(yīng)堆技術(shù)的研發(fā)，核燃料燃耗設(shè)計(jì)不斷提高，對(duì)新型燃料設(shè)計(jì)和制備工藝，以及核電站各部位的結(jié)構(gòu)材料和功能材料都帶來了新的挑戰(zhàn)。此外，核燃料循環(huán)過程中也對(duì)廢物處理處置等領(lǐng)域的材料提出了更高的需求。石墨烯作為第一種被發(fā)現(xiàn)的二維材料，自2004年問世以來，就迅速吸引了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注和研究興趣[1]。石墨烯集卓越的力學(xué)性能、電學(xué)性能和導(dǎo)熱性能于一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術(shù)的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動(dòng)的新興技術(shù)與產(chǎn)業(yè)成為未來科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必爭(zhēng)戰(zhàn)略高地。21世紀(jì)是信息時(shí)代，文獻(xiàn)計(jì)量、數(shù)據(jù)挖掘等手段已發(fā)展成為研究人員不可或缺的有利工具。本文通過文獻(xiàn)計(jì)量的方法，對(duì)石墨烯在核工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行定量分析和文本挖掘，剖析研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，提出前沿?zé)狳c(diǎn)研究方向，為確定石墨烯在核工業(yè)中最具潛力的發(fā)展方向提供應(yīng)用和布局參考與建議。

1? 研究對(duì)象及分析方法

1.1 研究對(duì)象

石墨烯是一種具有單原子厚度、蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維碳材料。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯的人因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[2]。石墨烯具有高導(dǎo)熱系數(shù)、高比表面積、快速導(dǎo)電性、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、突出的力學(xué)性能、高導(dǎo)熱性等優(yōu)異性能。

1.2 數(shù)據(jù)收集

本文分析數(shù)據(jù)來源于Web of Science中Web of ScienceTM核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)對(duì)石墨烯技術(shù)在核工業(yè)的應(yīng)用方向的大致了解，在數(shù)據(jù)庫(kù)中反復(fù)試驗(yàn)并與相關(guān)科研人員探討后確定檢索策略如下。

TS=（graphene AND （nuclear OR reactor OR （uranium AND *carbide） OR （（radiat* OR irradiat*） AND （defect OR damage）） OR （nuclear AND hydrogen AND （adsorpt* OR seperat*）） OR uranium OR plutonium OR UO2 OR actinid* OR radioact* OR uranyl OR U（VI））） NOT TS=graphite

至收集數(shù)據(jù)時(shí)，Web of Science中按以上搜索策略得到相關(guān)文獻(xiàn)3142篇。在檢索結(jié)果頁(yè)面，選擇帶參考文獻(xiàn)的全著錄格式，下載并存儲(chǔ)為制表符分隔（WIN，UTF-8）格式。檢索時(shí)間為2020年4月8日。

1.3 分析方法

利用Excel軟件對(duì)檢索到的3142篇文獻(xiàn)進(jìn)行了篩選，通過篩選題目和摘要中的關(guān)鍵詞和內(nèi)容，去掉不相關(guān)文獻(xiàn)，得到篩選后文獻(xiàn)856篇。對(duì)篩選后的856篇文獻(xiàn)的年度數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以呈現(xiàn)石墨烯在核工業(yè)應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。隨后通過文獻(xiàn)計(jì)量法中的信息可視化軟件VOSviewer對(duì)研究文獻(xiàn)的熱點(diǎn)國(guó)家、研究機(jī)構(gòu)、學(xué)科分布及共被引文獻(xiàn)和前沿進(jìn)行分析。

VOSviewer是荷蘭萊頓大學(xué)科技研究中心（The Center for Science and Technology Studies， CWTS）的Van Eck和Waltman于2009年開發(fā)的一款基于JAVA的免費(fèi)軟件[3]，至今已更新至1.6.16版本（2020年11月25日發(fā)布），主要面向文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，適應(yīng)于一模無向網(wǎng)絡(luò)的分析，側(cè)重科學(xué)知識(shí)的可視化。

為更細(xì)致地研究分析石墨烯技術(shù)在核工業(yè)，尤其是核燃料與材料領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，進(jìn)一步對(duì)重要文獻(xiàn)進(jìn)行了下載、研讀，并對(duì)重要作者和機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析比對(duì)。

2? 文獻(xiàn)計(jì)量分析結(jié)果

2.1 文獻(xiàn)發(fā)表時(shí)間分布

圖1為856篇篩選后檢索結(jié)果的年度分布統(tǒng)計(jì)情況[4]。依據(jù)圖1中可以看出，2005年后石墨烯在核工業(yè)中的應(yīng)用文獻(xiàn)呈逐年上升趨勢(shì)，這是由于2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的A.K. Geim和K.S. Novoselov首次利用微機(jī)械剝離法這種簡(jiǎn)單易行的方式成功分離出石墨烯，在學(xué)術(shù)界掀起了一股石墨烯的研究熱潮。

2009年以后，尤其是2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了A.K. Geim和K.S. Novoselov兩位科學(xué)家后，石墨烯相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)量開始呈現(xiàn)一種激增態(tài)勢(shì)。石墨烯與核工業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的文獻(xiàn)也呈現(xiàn)類似的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2.2 文獻(xiàn)發(fā)表國(guó)家分布

利用Excel對(duì)篩選后的856篇文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出第一作者國(guó)家分布如圖2所示。從圖2中可以看出，中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量位居前3位，說明中、美、韓三國(guó)政府對(duì)石墨烯產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了大力支持，三國(guó)科研人員也對(duì)石墨烯材料表現(xiàn)出了高度關(guān)注。中國(guó)的文獻(xiàn)數(shù)量較其他國(guó)家明顯遙遙領(lǐng)先，相關(guān)文獻(xiàn)頻次占所有篩選后文獻(xiàn)的40%左右，說明我國(guó)科研人員在石墨烯技術(shù)在核工業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域開展了較多研究工作。

圖3為相關(guān)研究文獻(xiàn)的國(guó)家合作網(wǎng)絡(luò)圖譜[5]，節(jié)點(diǎn)大小代表該國(guó)文獻(xiàn)數(shù)量的多少，每種顏色代表一個(gè)聚類后的類別。表1為相關(guān)研究文獻(xiàn)排名前10的第一作者國(guó)家分布情況，結(jié)合圖3和表1可以看出，中國(guó)的文獻(xiàn)總量是最多的，且與其他國(guó)家的合作也是最多的;其次是美國(guó)的文獻(xiàn)總量，雖然不到中國(guó)的50%，但美國(guó)與其他國(guó)家的合作程度與中國(guó)接近。從文獻(xiàn)數(shù)量來看，第三名為韓國(guó)，但從與其他國(guó)家合作程度來看，前兩名不變，第三名為德國(guó)，韓國(guó)作為第六名則排在英國(guó)和俄羅斯之后，可見美國(guó)、德國(guó)等國(guó)就“石墨烯在核工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用”相關(guān)領(lǐng)域在世界范圍內(nèi)建立了良好密集的國(guó)際合作關(guān)系。

圖4為從篩選后的856篇文獻(xiàn)中進(jìn)一步篩選出美國(guó)作者相關(guān)文獻(xiàn)153篇，導(dǎo)入Vosviewer軟件進(jìn)行了共線關(guān)鍵詞的分析結(jié)果。從圖4中可以看出，美國(guó)在石墨烯與核工業(yè)應(yīng)用的相關(guān)領(lǐng)域中發(fā)表的文獻(xiàn)中共線關(guān)鍵詞較多的是“缺陷”“輻照”“晶界效應(yīng)”等;“輻照損傷”“分子動(dòng)力學(xué)”“模擬”是另一聚類中共線次數(shù)較多的關(guān)鍵詞;此外“去除”“吸附”“水溶液”也是另一聚類中共線次數(shù)較多的關(guān)鍵詞。由此可見，美國(guó)研究人員對(duì)石墨烯在核工業(yè)中作為抗輻照材料和放射性吸附材料等2個(gè)領(lǐng)域關(guān)注較多。

圖5為從篩選后的856篇文獻(xiàn)中進(jìn)一步篩選出中國(guó)作者相關(guān)文獻(xiàn)348篇，導(dǎo)入Vosviewer軟件進(jìn)行了共線關(guān)鍵詞的分析結(jié)果。從圖5中可以看出，中國(guó)在石墨烯與核工業(yè)應(yīng)用的相關(guān)領(lǐng)域中發(fā)表的文獻(xiàn)中共線關(guān)鍵詞較多的是“吸附”“去除”“鈾”“水溶液”等;此外“復(fù)合材料”“缺陷”“離子輻照”也是另一聚類中共線次數(shù)較多的關(guān)鍵詞。由此可見，中國(guó)研究人員對(duì)石墨烯在核工業(yè)中作為放射性吸附材料和抗輻照材料[6]等2個(gè)領(lǐng)域關(guān)注較多，但與美國(guó)不同的是中國(guó)研究人員對(duì)放射性吸附材料領(lǐng)域關(guān)注更多。

2.3 研究機(jī)構(gòu)分布

圖6為篩選后的856篇文獻(xiàn)中共線作者的研究機(jī)構(gòu)聚類圖譜。表2為相關(guān)研究文獻(xiàn)排名前10的研究機(jī)構(gòu)分布情況。結(jié)合圖6和表2可以看出，共線作者中中科院的作者發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量最多，其次是華北電力大學(xué)和蘇州大學(xué)，排名前10的研究機(jī)構(gòu)基本都是中國(guó)的科研院所，只有排在第四和第七的沙特阿卜杜勒阿齊茲國(guó)王大學(xué)和奧地利維也納大學(xué)是國(guó)外共線作者較多的研究機(jī)構(gòu)。從與其他機(jī)構(gòu)合作程度來看，與其他機(jī)構(gòu)合作最多的是中科院，其次是阿卜杜勒阿齊茲國(guó)王大學(xué)和蘇州大學(xué)，說明沙特大學(xué)與其他國(guó)家的機(jī)構(gòu)保持著密切的合作。值得注意的是發(fā)表文章量排名前20的機(jī)構(gòu)中，哈爾濱工程大學(xué)和南華大學(xué)與其他機(jī)構(gòu)的合作程度較低。

由于美國(guó)文獻(xiàn)數(shù)量?jī)H次于中國(guó)，因此對(duì)美國(guó)機(jī)構(gòu)進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。從結(jié)果中可以看出，發(fā)表文章最多的是麻省理工學(xué)院和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室2個(gè)機(jī)構(gòu)，其次是加利福尼亞大學(xué)伯克利分校、得州農(nóng)工大學(xué)、倫斯勒理工學(xué)院等。這些機(jī)構(gòu)均在核工業(yè)前沿領(lǐng)域有較多的關(guān)注和研究。

2.4 共被引文獻(xiàn)知識(shí)圖譜

圖7為篩選后的856篇文獻(xiàn)中共被引文獻(xiàn)的知識(shí)圖譜。從圖7中可以看出，諾獎(jiǎng)獲得者K.S. Novoselov和A.K. Geim的石墨烯研究工作以及Hummers法制備氧化石墨烯的原始文獻(xiàn)在領(lǐng)域內(nèi)影響力巨大，共被引文獻(xiàn)也基本聚為這兩類。從結(jié)果中也可以看出，核工業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)作為共被引文獻(xiàn)的出現(xiàn)次數(shù)較少。

2.5 相關(guān)文獻(xiàn)的學(xué)科分布

圖8為856篇篩選后檢索結(jié)果的學(xué)科分布統(tǒng)計(jì)情況。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以看出，分布最多的學(xué)科為“材料科學(xué)，多學(xué)科”，其次是“應(yīng)用物理”“納米科學(xué)與納米技術(shù)”等，“核科學(xué)與技術(shù)”排在第七位。此外，“環(huán)境工程”“環(huán)境科學(xué)”“材料科學(xué)，涂層與膜”“核與無機(jī)化學(xué)”“能源與燃料”等也是文獻(xiàn)分布較多的學(xué)科。說明石墨烯在核工業(yè)中的應(yīng)用相關(guān)文獻(xiàn)多涉及核材料、核燃料及放射性廢物處理等領(lǐng)域。

3? 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)石墨烯技術(shù)在核工業(yè)的應(yīng)用方向的大致了解，在Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索并確定關(guān)鍵詞的過程中，對(duì)核燃料與材料領(lǐng)域相關(guān)性較大的文獻(xiàn)進(jìn)行了下載、研讀，得出的初步研究結(jié)論如下。

石墨烯技術(shù)在核工業(yè)中的應(yīng)用方向大致分為：（1）石墨烯對(duì)氫同位素、鈾和放射性核素的吸附、分離;（2）金屬-石墨烯納米復(fù)合材料的抗輻照損傷性能研究;（3）利用石墨烯導(dǎo)熱性摻雜改性UO2燃料、碳化鈾燃料;（4）利用石墨烯改性包殼材料、一回路管道材料等金屬材料表層，提高其抗腐蝕、耐磨等性能;（5）利用石墨烯納米流體提高反應(yīng)堆臨界熱流密度（CHF）等;（6）石墨烯作為反應(yīng)堆中子通量傳感器、廢水中裂變材料傳感器的研究等。其中第一種類型的研究文獻(xiàn)最多，且多是與廢水處理相關(guān)，其次是與抗輻照損傷有關(guān)的研究，但多為通過離子輻照、電子輻照等手段的研究，目前尚無中子輻照下的相關(guān)研究。

針對(duì)文獻(xiàn)調(diào)研中的相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，建議在石墨烯技術(shù)的研發(fā)方面主要從以下方向進(jìn)行：（1）石墨烯對(duì)氫同位素、鈾和放射性核素的吸附、分離;（2）金屬-石墨烯納米復(fù)合材料的抗輻照損傷性能研究;（3）利用石墨烯導(dǎo)熱性摻雜改性UO2燃料、碳化鈾燃料;（4）利用石墨烯改性包殼材料、一回路管道材料等金屬材料表層，提高其抗腐蝕、耐磨等性能等4個(gè)方面進(jìn)一步開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

目前這些方向多是實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的基礎(chǔ)研究，距離入堆考驗(yàn)和工程化應(yīng)用尚有一定距離，有必要先行開展相關(guān)研究，爭(zhēng)取占領(lǐng)石墨烯在核工業(yè)中應(yīng)用的前沿高地，解決核材料領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。

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