石墨烯技术在核工业中的应用文献计量分析

侯梦洁 夏芸

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

摘  要：石墨烯集卓越的力学性能、电学性能和导热性能于一体，具有使能和助力诸多颠覆性技术的潜力。本文从文献计量学的角度，利用信息可视化软件VOSviewer对石墨烯在核工业中的应用相关研究文献的热点国家、研究机构、学科分布，以及共被引文献和前沿进行分析，并对重要作者和机构进行了分析比对。经过研究分析，得出石墨烯技术在核工业中的应用方向为：对氢同位素、放射性核素的吸附、分离;复合材料的抗辐照性能研究;掺杂改性燃料;改性金属材料表层;提高临界热流密度（CHF）;作为传感器等六大类。

关键词：石墨烯  核工业  文献计量  VOSviewer

中图分类号：F264                             文献标识码：A                 文章编号：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业的基础和根本，是这一领域的技术制高点。随着第四代反应堆技术的研发，核燃料燃耗设计不断提高，对新型燃料设计和制备工艺，以及核电站各部位的结构材料和功能材料都带来了新的挑战。此外，核燃料循环过程中也对废物处理处置等领域的材料提出了更高的需求。石墨烯作为第一种被发现的二维材料，自2004年问世以来，就迅速吸引了世界范围内的广泛关注和研究兴趣[1]。石墨烯集卓越的力学性能、电学性能和导热性能于一体，具有使能和助力诸多颠覆性技术的潜力，以石墨烯新材料为核心所推动的新兴技术与产业成为未来科技创新与产业发展的必争战略高地。21世纪是信息时代，文献计量、数据挖掘等手段已发展成为研究人员不可或缺的有利工具。本文通过文献计量的方法，对石墨烯在核工业中的应用进行定量分析和文本挖掘，剖析研究热点和发展趋势，提出前沿热点研究方向，为确定石墨烯在核工业中最具潜力的发展方向提供应用和布局参考与建议。

1  研究对象及分析方法

1.1 研究对象

石墨烯是一种具有单原子厚度、蜂窝状结构的二维碳材料。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯的人因“在二维石墨烯材料的开创性实验”共同获得2010年诺贝尔物理学奖[2]。石墨烯具有高导热系数、高比表面积、快速导电性、优异的化学稳定性、突出的力学性能、高导热性等优异性能。

1.2 数据收集

本文分析数据来源于Web of Science中Web of ScienceTM核心合集数据库。根据对石墨烯技术在核工业的应用方向的大致了解，在数据库中反复试验并与相关科研人员探讨后确定检索策略如下。

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

至收集数据时，Web of Science中按以上搜索策略得到相关文献3142篇。在检索结果页面，选择带参考文献的全著录格式，下载并存储为制表符分隔（WIN，UTF-8）格式。检索时间为2020年4月8日。

1.3 分析方法

利用Excel软件对检索到的3142篇文献进行了筛选，通过筛选题目和摘要中的关键词和内容，去掉不相关文献，得到筛选后文献856篇。对筛选后的856篇文献的年度数量进行统计分析，以呈现石墨烯在核工业应用的相关文献发表数量随时间的变化趋势。随后通过文献计量法中的信息可视化软件VOSviewer对研究文献的热点国家、研究机构、学科分布及共被引文献和前沿进行分析。

VOSviewer是荷兰莱顿大学科技研究中心（The Center for Science and Technology Studies， CWTS）的Van Eck和Waltman于2009年开发的一款基于JAVA的免费软件[3]，至今已更新至1.6.16版本（2020年11月25日发布），主要面向文献数据，适应于一模无向网络的分析，侧重科学知识的可视化。

为更细致地研究分析石墨烯技术在核工业，尤其是核燃料与材料领域的应用现状，进一步对重要文献进行了下载、研读，并对重要作者和机构进行了分析比对。

2  文献计量分析结果

2.1 文献发表时间分布

图1为856篇筛选后检索结果的年度分布统计情况[4]。依据图1中可以看出，2005年后石墨烯在核工业中的应用文献呈逐年上升趋势，这是由于2004年英国曼彻斯特大学的A.K. Geim和K.S. Novoselov首次利用微机械剥离法这种简单易行的方式成功分离出石墨烯，在学术界掀起了一股石墨烯的研究热潮。

2009年以后，尤其是2010年诺贝尔物理学奖颁给了A.K. Geim和K.S. Novoselov两位科学家后，石墨烯相关文献的数量开始呈现一种激增态势。石墨烯与核工业领域相关的文献也呈现类似的增长趋势。

2.2 文献发表国家分布

利用Excel对筛选后的856篇文献进行统计分析，得出第一作者国家分布如图2所示。从图2中可以看出，中国、美国、韩国的相关文献数量位居前3位，说明中、美、韩三国政府对石墨烯产业进行了大力支持，三国科研人员也对石墨烯材料表现出了高度关注。中国的文献数量较其他国家明显遥遥领先，相关文献频次占所有篩选后文献的40%左右，说明我国科研人员在石墨烯技术在核工业中的应用领域开展了较多研究工作。

图3为相关研究文献的国家合作网络图谱[5]，节点大小代表该国文献数量的多少，每种颜色代表一个聚类后的类别。表1为相关研究文献排名前10的第一作者国家分布情况，结合图3和表1可以看出，中国的文献总量是最多的，且与其他国家的合作也是最多的;其次是美国的文献总量，虽然不到中国的50%，但美国与其他国家的合作程度与中国接近。从文献数量来看，第三名为韩国，但从与其他国家合作程度来看，前两名不变，第三名为德国，韩国作为第六名则排在英国和俄罗斯之后，可见美国、德国等国就“石墨烯在核工业领域的应用”相关领域在世界范围内建立了良好密集的国际合作关系。

图4为从筛选后的856篇文献中进一步筛选出美国作者相关文献153篇，导入Vosviewer软件进行了共线关键词的分析结果。从图4中可以看出，美国在石墨烯与核工业应用的相关领域中发表的文献中共线关键词较多的是“缺陷”“辐照”“晶界效应”等;“辐照损伤”“分子动力学”“模拟”是另一聚类中共线次数较多的关键词;此外“去除”“吸附”“水溶液”也是另一聚类中共线次数较多的关键词。由此可见，美国研究人员对石墨烯在核工业中作为抗辐照材料和放射性吸附材料等2个领域关注较多。

图5为从筛选后的856篇文献中进一步筛选出中国作者相关文献348篇，导入Vosviewer软件进行了共线关键词的分析结果。从图5中可以看出，中国在石墨烯与核工业应用的相关领域中发表的文献中共线关键词较多的是“吸附”“去除”“铀”“水溶液”等;此外“复合材料”“缺陷”“离子辐照”也是另一聚类中共线次数较多的关键词。由此可见，中国研究人员对石墨烯在核工业中作为放射性吸附材料和抗辐照材料[6]等2个领域关注较多，但与美国不同的是中国研究人员对放射性吸附材料领域关注更多。

2.3 研究机构分布

图6为筛选后的856篇文献中共线作者的研究机构聚类图谱。表2为相关研究文献排名前10的研究机构分布情况。结合图6和表2可以看出，共线作者中中科院的作者发表文献数量最多，其次是华北电力大学和苏州大学，排名前10的研究机构基本都是中国的科研院所，只有排在第四和第七的沙特阿卜杜勒阿齐兹国王大学和奥地利维也纳大学是国外共线作者较多的研究机构。从与其他机构合作程度来看，与其他机构合作最多的是中科院，其次是阿卜杜勒阿齐兹国王大学和苏州大学，说明沙特大学与其他国家的机构保持着密切的合作。值得注意的是发表文章量排名前20的机构中，哈尔滨工程大学和南华大学与其他机构的合作程度较低。

由于美国文献数量仅次于中国，因此对美国机构进行的统计结果如表3所示。从结果中可以看出，发表文章最多的是麻省理工学院和橡树岭国家实验室2个机构，其次是加利福尼亚大学伯克利分校、得州农工大学、伦斯勒理工学院等。这些机构均在核工业前沿领域有较多的关注和研究。

2.4 共被引文献知识图谱

图7为筛选后的856篇文献中共被引文献的知识图谱。从图7中可以看出，诺奖获得者K.S. Novoselov和A.K. Geim的石墨烯研究工作以及Hummers法制备氧化石墨烯的原始文献在领域内影响力巨大，共被引文献也基本聚为这两类。从结果中也可以看出，核工业领域的相关文献作为共被引文献的出现次数较少。

2.5 相关文献的学科分布

图8为856篇筛选后检索结果的学科分布统计情况。从统计结果中可以看出，分布最多的学科为“材料科学，多学科”，其次是“应用物理”“纳米科学与纳米技术”等，“核科学与技术”排在第七位。此外，“环境工程”“环境科学”“材料科学，涂层与膜”“核与无机化学”“能源与燃料”等也是文献分布较多的学科。说明石墨烯在核工业中的应用相关文献多涉及核材料、核燃料及放射性废物处理等领域。

3  结语

根据对石墨烯技术在核工业的应用方向的大致了解，在Web of Science数据库中搜索并确定关键词的过程中，对核燃料与材料领域相关性较大的文献进行了下载、研读，得出的初步研究结论如下。

石墨烯技术在核工业中的应用方向大致分为：（1）石墨烯对氢同位素、铀和放射性核素的吸附、分离;（2）金属-石墨烯纳米复合材料的抗辐照损伤性能研究;（3）利用石墨烯导热性掺杂改性UO2燃料、碳化铀燃料;（4）利用石墨烯改性包壳材料、一回路管道材料等金属材料表层，提高其抗腐蚀、耐磨等性能;（5）利用石墨烯纳米流体提高反应堆临界热流密度（CHF）等;（6）石墨烯作为反应堆中子通量传感器、废水中裂变材料传感器的研究等。其中第一种类型的研究文献最多，且多是与废水处理相关，其次是与抗辐照损伤有关的研究，但多为通过离子辐照、电子辐照等手段的研究，目前尚无中子辐照下的相关研究。

针对文献调研中的相关文献调研结果，建议在石墨烯技术的研发方面主要从以下方向进行：（1）石墨烯对氢同位素、铀和放射性核素的吸附、分离;（2）金属-石墨烯纳米复合材料的抗辐照损伤性能研究;（3）利用石墨烯导热性掺杂改性UO2燃料、碳化铀燃料;（4）利用石墨烯改性包壳材料、一回路管道材料等金属材料表层，提高其抗腐蚀、耐磨等性能等4个方面进一步开展相关实验研究。

目前这些方向多是实验室级别的基础研究，距离入堆考验和工程化应用尚有一定距离，有必要先行开展相关研究，争取占领石墨烯在核工业中应用的前沿高地，解决核材料领域的关键问题。

参考文献

[1] 邢悦，许婧，郝思嘉，等.石墨烯材料的技术与应用研究进展[J].科技创新导报，2019，16（2）：84-87.

[2] 马丹丹，郭敏，段庆锋.国内外石墨烯复合材料研究态势可视化对比分析[J].矿产保护与利用，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] 张雅君.CiteSpace在光电技术预见计量分析中的应用研究[D].武汉：中南民族大学，2015.

[5] 樊一阳，许京京.基于CiteSpace文献计量法的石墨烯研究文献可视化图谱分析[J].現代情报，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.