核聚變被視為人類的終極能源。實現可控核聚變的關鍵挑戰之一在于解決“關鍵材料問題”。作為聚變堆面向等離子體部件的首選材料，金屬鎢將在高溫條件下遭受到高能中子的轟擊，導致材料內部產生大量的離位損傷缺陷，進而嚴重削弱其服役性能，最終大幅降低其服役壽命。近日，北京大學物理學院技術物理系付恩剛教授課題組與合作者提出的全面建立鎢中離位損傷回復與溫度之間的相關性對于理解材料性能退化至關重要。這項研究的發現將為開展聚變堆面向等離子體部件中離位損傷的熱修復提供了理論支撐與科學指導。相關科研成果以“損傷回復階段的再審視：重離子輻照鎢中非飽和與飽和離位損傷的熱演化”(Damage recovery stages revisited: thermal evolution of non-saturated and saturated displacement damage in heavy-ion irradiated tungsten)為題在線發表于金屬材料領域權威期刊Acta Materialia。
在核材料領域，一個長期關注的問題是不同初始缺陷濃度(在損傷飽和極限以下和以上)對離位損傷回復的影響。在本工作中，我們以金屬鎢為范例，系統研究了“非飽和損傷”與“飽和損傷”鎢中離位損傷回復的溫度依賴性。通過結合透射電鏡與多普勒展寬正電子湮沒譜表征方法，提供了寬溫區內離位損傷缺陷熱演化的物理圖像(見圖1與圖2)。研究結果表明，鎢中不同的初始缺陷濃度導致離位損傷回復存在明顯差異，但對離位損傷缺陷演化的溫度依賴性沒有顯著影響。在“非飽和損傷”和“飽和損傷”鎢中，溫和的與劇烈的離位損傷回復分別發生在973 K以下與1123 K以上。最值得注意的是，在473 K退火后，兩類樣品中均觀察到納米尺寸空洞。在1873 K退火后，“非飽和損傷”鎢中離位損傷缺陷已完全回復，而“飽和損傷”鎢中仍存在一些位錯與空洞。我們推測“飽和損傷”鎢中離位損傷的完全回復溫度約為2000 K。綜上，離位損傷回復階段的再審視充分表明了涵蓋非飽和與飽和缺陷濃度情景的重要性。因此，我們對重離子輻照鎢中離位損傷的回復階段及其所對應的溫度區間進行了再定義，包括階段I(20 K–室溫)、階段II(室溫–653 K)、階段III(653–1123 K)和階段IV(1123–2000 K)。
圖1. “非飽和損傷”和“飽和損傷”鎢中離位損傷缺陷熱演化的示意圖及兩個關鍵溫度點所對應的透射電鏡圖像
圖2. “非飽和損傷”和“飽和損傷”鎢的多普勒展寬正電子湮沒譜結果：歸一化后的(a)S與(b)W參數
北京大學物理學院“博雅計劃”博士后王詩維為論文第一作者;北京大學物理學院付恩剛教授、北京航空航天大學物理學院袁悅教授、北京科技大學材料科學與工程學院易曉鷗副教授為共同通訊作者;其他主要合作者包括北京航空航天大學物理學院呂廣宏教授、中國科學院高能物理研究所曹興忠研究員、北京工業大學固體微結構與性能研究所張曉娜副研究員等。
該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、北京大學核物理與核技術國家重點實驗室、北京大學核技術應用實驗室、北京航空航天大學先進核能材料與物理北京市重點實驗室的大力支持。
