湖南大學(xué)/美國密歇根大學(xué)《PRL》：原子尺度揭秘輻照損傷護(hù)航先進(jìn)核能

先進(jìn)核裂變與核聚變反應(yīng)堆材料在服役過程中，需要承受高輻照劑量和高溫極端環(huán)境，這會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生大量微觀缺陷，嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能和使用壽命。其中，空洞會(huì)導(dǎo)致材料體積腫脹，是核材料失效的重要原因；而另一類缺陷——堆垛層錯(cuò)四面體，則可能在一定程度上抑制材料性能退化。長期以來，科學(xué)界尚不清楚：在相同輻照條件下，為什么有些合金更容易形成空洞，而有些則更傾向形成堆垛層錯(cuò)四面體？

近日，針對這一關(guān)鍵科學(xué)問題，湖南大學(xué)鄧輝球教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國密歇根大學(xué)Gao Fei教授自主開發(fā)了一種基于缺陷演化速率的長時(shí)間動(dòng)力學(xué)模擬（DRLD）方法，首次實(shí)現(xiàn)了具有可與實(shí)驗(yàn)對比的長時(shí)間尺度和原子級(jí)空間分辨信息的高效率模擬。研究團(tuán)隊(duì)基于DRLD方法，發(fā)現(xiàn)面心立方復(fù)雜固溶體合金在輻照條件下會(huì)通過“空位-四面體形成與解體兩步演化”的物理機(jī)制形成空洞或堆垛層錯(cuò)四面體，其中局域化學(xué)成分變化對缺陷演化結(jié)果起著決定性作用。這一發(fā)現(xiàn)在原子尺度上統(tǒng)一解釋了以往實(shí)驗(yàn)中關(guān)于不同元素對輻照缺陷“促進(jìn)或抑制”作用的分歧現(xiàn)象，并與離子輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，具有重要的普適意義。該工作為通過精準(zhǔn)成分設(shè)計(jì)與局域化學(xué)調(diào)控來主動(dòng)抑制空洞腫脹從而提升材料的抗輻照性能提供了清晰的研究方向與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。此外，團(tuán)隊(duì)開發(fā)的DRLD模擬方法拓展了目前多尺度模擬框架中的時(shí)間尺度和空間分辨率，可推廣應(yīng)用于相分離、蠕變等其它材料微結(jié)構(gòu)演變的長程模擬，為評估和預(yù)測材料在極端環(huán)境下的長期服役性能提供了強(qiáng)大工具。此項(xiàng)工作為面向新一代核能系統(tǒng)的高性能結(jié)構(gòu)材料的理性設(shè)計(jì)與研發(fā)奠定了關(guān)鍵科學(xué)基礎(chǔ)，對提升裝備可靠性、保障核能安全運(yùn)行具有積極的推動(dòng)作用。

研究成果以“Formation of Voids or Stacking-Fault Tetrahedra Induced by Local Chemical Variations in Face-Centered-Cubic Complex Concentrated Alloys”為題發(fā)表在物理學(xué)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）2026年第一期上。論文共同第一作者為湖南大學(xué)林也平博士后和西安交通大學(xué)盧晨陽教授，共同通訊作者為湖南大學(xué)鄧輝球教授和密歇根大學(xué)Fei Gao教授。

【論文鏈接】

Yeping Lin, Chenyang Lu, Tengfei Yang, Zhengxiong Su, Yixin Deng, Wangyu Hu, Huiqiu Deng, Guanghong Lu, and Fei Gao, Formation of Voids or Stacking-Fault Tetrahedra Induced by Local Chemical Variations in Face-Centered-Cubic Complex Concentrated Alloys. Phys. Rev. Lett. 136, 016102 (2026). https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/p629-97jn

應(yīng)用DRLD模擬方法發(fā)現(xiàn)了空位-四面體向空洞或堆垛層錯(cuò)四面體演化的物理機(jī)制

不同局域化學(xué)濃度調(diào)控下的空洞和堆垛層錯(cuò)四面體形成機(jī)制

該機(jī)制對不同化學(xué)成分材料空位團(tuán)簇演化特征的適用性以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在國家超級(jí)計(jì)算長沙中心等單位的算力支持下，鄧輝球課題組長期從事先進(jìn)核能和新能源材料領(lǐng)域的計(jì)算模擬研究工作，承擔(dān)了多項(xiàng)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金和國家核技術(shù)研發(fā)等項(xiàng)目課題，近期在Nature、Science Advances和Acta Materialia等重要學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了一系列研究論文 (Nature 626 (2024) 1005; Science Advances 11(2025) eadq4070; Acta Materialia 306 (2026) 121899, 301 (2025) 121524, 301 (2025) 121529, 297 (2025) 121316, 289 (2025) 120879)。第一作者林也平博士以第一作者身份在Physical Review Letters和Acta Materialia等國際著名期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文多篇，主持國家自然科學(xué)基金青C項(xiàng)目、中國博士后基金面上項(xiàng)目等科研課題多項(xiàng)。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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