發展先進核能系統是我國實現“碳中和”“碳達峰”目標和解決能源危機的重大需求和重要戰略。長期以來，設計高抗輻照材料的主流和傳統策略是在材料中引進界面，但是，高溫高劑量輻照導致的界面不穩定、輻照缺陷隨著輻照劑量的進一步增加而逐漸累積并最終導致材料的失效等，是迄今未突破的瓶頸問題。

近日，北京大學物理學院、核物理與核技術國家重點實驗室付恩剛團隊和北京科技大學呂昭平團隊合作，在輻照缺陷湮滅機制方面另辟蹊徑，發現了共格納米粒子湮滅缺陷行為，揭示了其循環溶解再析出的缺陷湮滅機制，提出了一種通過設計具有晶格失配小、成分容差大的高密度納米粒子，可大幅提高材料抗輻照腫脹能力的新思路和新策略。聯合研究團隊通過在馬氏體鋼中引入完全共格結構的化學有序Ni(Al, Fe)金屬間納米析出相，在高溫(400—600 ℃)輻照下，因其極低的形核勢壘和極易發生的短程溶質重排主導的動力學行為，使之快速地進行有序-無序-有序循環動態轉變，這種局域相變在溶質和點缺陷長程擴散受到限制的同時，通過增強溶質和缺陷的局域重組，持續高效消除輻照產生的缺陷并使高密度析出相動態穩定，在超高劑量的離子輻照后無空洞腫脹，展現出超高抗輻照腫脹能力(如圖1和2)。該策略被證實在中熵合金中同樣有效，對深入了解輻照機制和開發工程應用新型高抗輻照材料都極具意義。期待這一策略可以進一步應用在高熵合金、鎢基合金和其他納米結構合金等合金材料體系。

圖1. a 含高密度Ni(Al, Fe)納米粒子的超晶格鋼在離子輻照條件下的超高耐輻照性能;b和c表明該超晶格鋼具有很高的抗輻照腫脹性能

圖2. 利用HAADF-STEM圖和APT三維重構技術確定不同輻照條件下超晶格鋼組織演變

2022年5月30日，相關研究成果以《通過共格超晶格的可逆無序有序轉換實現超高抗輻照性能》(“Superior radiation tolerance via reversible disordering–ordering transition of coherent superlattices”)為題，在線發表于《自然·材料》(Nature Materials)，是國內實驗核材料領域和輻照效應領域在該期刊發表的首篇論文。研究成果完全由國內單位和研究人員完成，其中，北京大學物理學院杜進隆博士、北京科技大學蔣雖合研究員和博士研究生曹培培為共同第一作者，付恩剛和呂昭平為共同通訊作者。離子輻照實驗主要基于北京大學核技術應用實驗室2í1.7 MV串列靜電加速器完成，該加速器至今高效運行30多年，可以進行多種離子注入/輻照實驗(包括但不限于H、He、C、O、Si、Cu、Ti、Fe、Au等)、盧瑟福背散射分析(RBS)和溝道測量，每年為校內外科研院所提供1000多小時的高質量束流服務。

國際核材料領域著名專家、美國橡樹林國家重點實驗室Y.W. Zhang研究員受《自然·材料》(Nature Materials)期刊邀請，在“新聞與觀點”(News & Views)專欄在線發表了題為《重組納米析出抗輻照》(“Reassembled Nanoprecipitates Resisting Radiation”)的推介文章，評價“這項工作不僅鼓勵研究人員重新審視依賴非共格或半共格界面來捕獲輻照引起點缺陷的策略，而且為領域基礎研究發展，以及通過界面穩定性和捕獲強度協同控制抗輻照材料發展提供了前進的道路”，同時指出，“通過低成本的傳統方法就可以制備這些材料，意味著其在工程應用中具有很強的實用性”。

上述研究工作得到了國家自然科學基金、國家磁約束核聚變能發展研究專項、北京市自然科學基金、北京大學大型儀器開放測試基金，以及北京大學核技術應用實驗室、北京大學電子顯微鏡實驗室、量子物質科學協同創新中心和廈門大學能源學院核能研究所等的大力支持。