石墨烯技術在核工業中的應用文獻計量分析

侯夢潔 夏蕓

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

摘? 要：石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能于一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力。本文從文獻計量學的角度，利用信息可視化軟件VOSviewer對石墨烯在核工業中的應用相關研究文獻的熱點國家、研究機構、學科分布，以及共被引文獻和前沿進行分析，并對重要作者和機構進行了分析比對。經過研究分析，得出石墨烯技術在核工業中的應用方向為：對氫同位素、放射性核素的吸附、分離;復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。

關鍵詞：石墨烯? 核工業? 文獻計量? VOSviewer

中圖分類號：F264? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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的基礎和根本，是這一領域的技術制高點。隨著第四代反應堆技術的研發，核燃料燃耗設計不斷提高，對新型燃料設計和制備工藝，以及核電站各部位的結構材料和功能材料都帶來了新的挑戰。此外，核燃料循環過程中也對廢物處理處置等領域的材料提出了更高的需求。石墨烯作為第一種被發現的二維材料，自2004年問世以來，就迅速吸引了世界范圍內的廣泛關注和研究興趣[1]。石墨烯集卓越的力學性能、電學性能和導熱性能于一體，具有使能和助力諸多顛覆性技術的潛力，以石墨烯新材料為核心所推動的新興技術與產業成為未來科技創新與產業發展的必爭戰略高地。21世紀是信息時代，文獻計量、數據挖掘等手段已發展成為研究人員不可或缺的有利工具。本文通過文獻計量的方法，對石墨烯在核工業中的應用進行定量分析和文本挖掘，剖析研究熱點和發展趨勢，提出前沿熱點研究方向，為確定石墨烯在核工業中最具潛力的發展方向提供應用和布局參考與建議。

1? 研究對象及分析方法

1.1 研究對象

石墨烯是一種具有單原子厚度、蜂窩狀結構的二維碳材料。2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地在實驗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性實驗”共同獲得2010年諾貝爾物理學獎[2]。石墨烯具有高導熱系數、高比表面積、快速導電性、優異的化學穩定性、突出的力學性能、高導熱性等優異性能。

1.2 數據收集

本文分析數據來源于Web of Science中Web of ScienceTM核心合集數據庫。根據對石墨烯技術在核工業的應用方向的大致了解，在數據庫中反復試驗并與相關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

至收集數據時，Web of Science中按以上搜索策略得到相關文獻3142篇。在檢索結果頁面，選擇帶參考文獻的全著錄格式，下載并存儲為制表符分隔（WIN，UTF-8）格式。檢索時間為2020年4月8日。

1.3 分析方法

利用Excel軟件對檢索到的3142篇文獻進行了篩選，通過篩選題目和摘要中的關鍵詞和內容，去掉不相關文獻，得到篩選后文獻856篇。對篩選后的856篇文獻的年度數量進行統計分析，以呈現石墨烯在核工業應用的相關文獻發表數量隨時間的變化趨勢。隨后通過文獻計量法中的信息可視化軟件VOSviewer對研究文獻的熱點國家、研究機構、學科分布及共被引文獻和前沿進行分析。

VOSviewer是荷蘭萊頓大學科技研究中心（The Center for Science and Technology Studies， CWTS）的Van Eck和Waltman于2009年開發的一款基于JAVA的免費軟件[3]，至今已更新至1.6.16版本（2020年11月25日發布），主要面向文獻數據，適應于一模無向網絡的分析，側重科學知識的可視化。

為更細致地研究分析石墨烯技術在核工業，尤其是核燃料與材料領域的應用現狀，進一步對重要文獻進行了下載、研讀，并對重要作者和機構進行了分析比對。

2? 文獻計量分析結果

2.1 文獻發表時間分布

圖1為856篇篩選后檢索結果的年度分布統計情況[4]。依據圖1中可以看出，2005年后石墨烯在核工業中的應用文獻呈逐年上升趨勢，這是由于2004年英國曼徹斯特大學的A.K. Geim和K.S. Novoselov首次利用微機械剝離法這種簡單易行的方式成功分離出石墨烯，在學術界掀起了一股石墨烯的研究熱潮。

2009年以后，尤其是2010年諾貝爾物理學獎頒給了A.K. Geim和K.S. Novoselov兩位科學家后，石墨烯相關文獻的數量開始呈現一種激增態勢。石墨烯與核工業領域相關的文獻也呈現類似的增長趨勢。

2.2 文獻發表國家分布

利用Excel對篩選后的856篇文獻進行統計分析，得出第一作者國家分布如圖2所示。從圖2中可以看出，中國、美國、韓國的相關文獻數量位居前3位，說明中、美、韓三國政府對石墨烯產業進行了大力支持，三國科研人員也對石墨烯材料表現出了高度關注。中國的文獻數量較其他國家明顯遙遙領先，相關文獻頻次占所有篩選后文獻的40%左右，說明我國科研人員在石墨烯技術在核工業中的應用領域開展了較多研究工作。

圖3為相關研究文獻的國家合作網絡圖譜[5]，節點大小代表該國文獻數量的多少，每種顏色代表一個聚類后的類別。表1為相關研究文獻排名前10的第一作者國家分布情況，結合圖3和表1可以看出，中國的文獻總量是最多的，且與其他國家的合作也是最多的;其次是美國的文獻總量，雖然不到中國的50%，但美國與其他國家的合作程度與中國接近。從文獻數量來看，第三名為韓國，但從與其他國家合作程度來看，前兩名不變，第三名為德國，韓國作為第六名則排在英國和俄羅斯之后，可見美國、德國等國就“石墨烯在核工業領域的應用”相關領域在世界范圍內建立了良好密集的國際合作關系。

圖4為從篩選后的856篇文獻中進一步篩選出美國作者相關文獻153篇，導入Vosviewer軟件進行了共線關鍵詞的分析結果。從圖4中可以看出，美國在石墨烯與核工業應用的相關領域中發表的文獻中共線關鍵詞較多的是“缺陷”“輻照”“晶界效應”等;“輻照損傷”“分子動力學”“模擬”是另一聚類中共線次數較多的關鍵詞;此外“去除”“吸附”“水溶液”也是另一聚類中共線次數較多的關鍵詞。由此可見，美國研究人員對石墨烯在核工業中作為抗輻照材料和放射性吸附材料等2個領域關注較多。

圖5為從篩選后的856篇文獻中進一步篩選出中國作者相關文獻348篇，導入Vosviewer軟件進行了共線關鍵詞的分析結果。從圖5中可以看出，中國在石墨烯與核工業應用的相關領域中發表的文獻中共線關鍵詞較多的是“吸附”“去除”“鈾”“水溶液”等;此外“復合材料”“缺陷”“離子輻照”也是另一聚類中共線次數較多的關鍵詞。由此可見，中國研究人員對石墨烯在核工業中作為放射性吸附材料和抗輻照材料[6]等2個領域關注較多，但與美國不同的是中國研究人員對放射性吸附材料領域關注更多。

2.3 研究機構分布

圖6為篩選后的856篇文獻中共線作者的研究機構聚類圖譜。表2為相關研究文獻排名前10的研究機構分布情況。結合圖6和表2可以看出，共線作者中中科院的作者發表文獻數量最多，其次是華北電力大學和蘇州大學，排名前10的研究機構基本都是中國的科研院所，只有排在第四和第七的沙特阿卜杜勒阿齊茲國王大學和奧地利維也納大學是國外共線作者較多的研究機構。從與其他機構合作程度來看，與其他機構合作最多的是中科院，其次是阿卜杜勒阿齊茲國王大學和蘇州大學，說明沙特大學與其他國家的機構保持著密切的合作。值得注意的是發表文章量排名前20的機構中，哈爾濱工程大學和南華大學與其他機構的合作程度較低。

由于美國文獻數量僅次于中國，因此對美國機構進行的統計結果如表3所示。從結果中可以看出，發表文章最多的是麻省理工學院和橡樹嶺國家實驗室2個機構，其次是加利福尼亞大學伯克利分校、得州農工大學、倫斯勒理工學院等。這些機構均在核工業前沿領域有較多的關注和研究。

2.4 共被引文獻知識圖譜

圖7為篩選后的856篇文獻中共被引文獻的知識圖譜。從圖7中可以看出，諾獎獲得者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在領域內影響力巨大，共被引文獻也基本聚為這兩類。從結果中也可以看出，核工業領域的相關文獻作為共被引文獻的出現次數較少。

2.5 相關文獻的學科分布

圖8為856篇篩選后檢索結果的學科分布統計情況。從統計結果中可以看出，分布最多的學科為“材料科學，多學科”，其次是“應用物理”“納米科學與納米技術”等，“核科學與技術”排在第七位。此外，“環境工程”“環境科學”“材料科學，涂層與膜”“核與無機化學”“能源與燃料”等也是文獻分布較多的學科。說明石墨烯在核工業中的應用相關文獻多涉及核材料、核燃料及放射性廢物處理等領域。

3? 結語

根據對石墨烯技術在核工業的應用方向的大致了解，在Web of Science數據庫中搜索并確定關鍵詞的過程中，對核燃料與材料領域相關性較大的文獻進行了下載、研讀，得出的初步研究結論如下。

石墨烯技術在核工業中的應用方向大致分為：（1）石墨烯對氫同位素、鈾和放射性核素的吸附、分離;（2）金屬-石墨烯納米復合材料的抗輻照損傷性能研究;（3）利用石墨烯導熱性摻雜改性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堆臨界熱流密度（CHF）等;（6）石墨烯作為反應堆中子通量傳感器、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最多，且多是與廢水處理相關，其次是與抗輻照損傷有關的研究，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研究。

針對文獻調研中的相關文獻調研結果，建議在石墨烯技術的研發方面主要從以下方向進行：（1）石墨烯對氫同位素、鈾和放射性核素的吸附、分離;（2）金屬-石墨烯納米復合材料的抗輻照損傷性能研究;（3）利用石墨烯導熱性摻雜改性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個方面進一步開展相關實驗研究。

目前這些方向多是實驗室級別的基礎研究，距離入堆考驗和工程化應用尚有一定距離，有必要先行開展相關研究，爭取占領石墨烯在核工業中應用的前沿高地，解決核材料領域的關鍵問題。

參考文獻

[1] 邢悅，許婧，郝思嘉，等.石墨烯材料的技術與應用研究進展[J].科技創新導報，2019，16（2）：84-87.

[2] 馬丹丹，郭敏，段慶鋒.國內外石墨烯復合材料研究態勢可視化對比分析[J].礦產保護與利用，2018（5）： 20-27.

[3] Lin Xie.Bibliometric and Visualized Analysis of Scientific Publications on Atlantoaxial Spine Surgery Based on Web of Science and VOSviewer[J]. WORLD NEUROSURGERY，2020，137：435-442.

[4] 張雅君.CiteSpace在光電技術預見計量分析中的應用研究[D].武漢：中南民族大學，2015.

[5] 樊一陽，許京京.基于CiteSpace文獻計量法的石墨烯研究文獻可視化圖譜分析[J].現代情報，2015，35（8）： 81-91，99.

[6] Yao Wenjuan.Advance in Properties of? Graphene and Graphene/Metal Layered Composite After Irradiation Damage[J].Rare Metal Materials and Engineering，2019，48（10）：3130-3135.