在原子尺度解碼核材料輻照缺陷演化之謎
2026-01-12 08:21核能材料在反應(yīng)堆內(nèi)服役過程中長期經(jīng)受高通量中子輻照、高溫和高腐蝕性冷卻介質(zhì)等極端條件的考驗(yàn)，這些極端條件會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的缺陷（例如空位、四面體堆垛層錯(cuò)和空洞等），嚴(yán)重影響其性能與使用壽命。如何評估與預(yù)測核能材料在輻照下的行為一直是先進(jìn)核能發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。
近日，湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院鄧輝球教授課題組與合作團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了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，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)大的工具。
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。湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院為該論文第一完成單位，物電院在站博士后林也平（模擬計(jì)算）和西安交通大學(xué)盧晨陽教授（實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）為共同第一作者，鄧輝球教授和美國密歇根大學(xué)Gao Fei教授為共同通訊作者。湖南大學(xué)材料院楊騰飛教授和北京航空航天大學(xué)呂廣宏教授等也在實(shí)驗(yàn)分析方面做出了重要貢獻(xiàn)。該工作得到國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)和國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
在國家超級計(jì)算長沙中心等單位的算力支持下，鄧輝球教授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, 289 (2025) 120879, 297 (2025) 121316, 301 (2025) 121524)。
來源：湖南大學(xué)物電院
