发展先进核能系统是我国实现“碳中和”“碳达峰”目标和解决能源危机的重大需求和重要战略。长期以来，设计高抗辐照材料的主流和传统策略是在材料中引进界面，但是，高温高剂量辐照导致的界面不稳定、辐照缺陷随着辐照剂量的进一步增加而逐渐累积并最终导致材料的失效等，是迄今未突破的瓶颈问题。
近日，北京大学物理学院、核物理与核技术国家重点实验室付恩刚团队和北京科技大学吕昭平团队合作，在辐照缺陷湮灭机制方面另辟蹊径，发现了共格纳米粒子湮灭缺陷行为，揭示了其循环溶解再析出的缺陷湮灭机制，提出了一种通过设计具有晶格失配小、成分容差大的高密度纳米粒子，可大幅提高材料抗辐照肿胀能力的新思路和新策略。联合研究团队通过在马氏体钢中引入完全共格结构的化学有序Ni(Al, Fe)金属间纳米析出相，在高温(400—600 ℃)辐照下，因其极低的形核势垒和极易发生的短程溶质重排主导的动力学行为，使之快速地进行有序-无序-有序循环动态转变，这种局域相变在溶质和点缺陷长程扩散受到限制的同时，通过增强溶质和缺陷的局域重组，持续高效消除辐照产生的缺陷并使高密度析出相动态稳定，在超高剂量的离子辐照后无空洞肿胀，展现出超高抗辐照肿胀能力(如图1和2)。该策略被证实在中熵合金中同样有效，对深入了解辐照机制和开发工程应用新型高抗辐照材料都极具意义。期待这一策略可以进一步应用在高熵合金、钨基合金和其他纳米结构合金等合金材料体系。
图1. a 含高密度Ni(Al, Fe)纳米粒子的超晶格钢在离子辐照条件下的超高耐辐照性能;b和c表明该超晶格钢具有很高的抗辐照肿胀性能
图2. 利用HAADF-STEM图和APT三维重构技术确定不同辐照条件下超晶格钢组织演变
2022年5月30日，相关研究成果以《通过共格超晶格的可逆无序有序转换实现超高抗辐照性能》(“Superior radiation tolerance via reversible disordering–ordering transition of coherent superlattices”)为题，在线发表于《自然·材料》(Nature Materials)，是国内实验核材料领域和辐照效应领域在该期刊发表的首篇论文。研究成果完全由国内单位和研究人员完成，其中，北京大学物理学院杜进隆博士、北京科技大学蒋虽合研究员和博士研究生曹培培为共同第一作者，付恩刚和吕昭平为共同通讯作者。离子辐照实验主要基于北京大学核技术应用实验室2í1.7 MV串列静电加速器完成，该加速器至今高效运行30多年，可以进行多种离子注入/辐照实验(包括但不限于H、He、C、O、Si、Cu、Ti、Fe、Au等)、卢瑟福背散射分析(RBS)和沟道测量，每年为校内外科研院所提供1000多小时的高质量束流服务。
国际核材料领域著名专家、美国橡树林国家重点实验室Y.W. Zhang研究员受《自然·材料》(Nature Materials)期刊邀请，在“新闻与观点”(News & Views)专栏在线发表了题为《重组纳米析出抗辐照》(“Reassembled Nanoprecipitates Resisting Radiation”)的推介文章，评价“这项工作不仅鼓励研究人员重新审视依赖非共格或半共格界面来捕获辐照引起点缺陷的策略，而且为领域基础研究发展，以及通过界面稳定性和捕获强度协同控制抗辐照材料发展提供了前进的道路”，同时指出，“通过低成本的传统方法就可以制备这些材料，意味着其在工程应用中具有很强的实用性”。
上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家磁约束核聚变能发展研究专项、北京市自然科学基金、北京大学大型仪器开放测试基金，以及北京大学核技术应用实验室、北京大学电子显微镜实验室、量子物质科学协同创新中心和厦门大学能源学院核能研究所等的大力支持。
