发展先进核能系统是我国实现“双碳“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，北京大学付恩刚教授团队和北京科技大学吕昭平教授团队合作，在辐照缺陷湮灭机制方面另辟蹊径，突破了传统机制，在国际著名期刊Nature Materials报道：发现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。这个研究工作对于深入揭示辐照损伤机制和开发工程应用新型高抗辐照材料都极具意义，为下一代核反应堆先进结构材料的设计和发展提供了新的方向和道路。
相关成果以 “Superior Radiation Tolerance via Reversible Disordering-Ordering Transition of Coherent Superlattice” 为题目发表在Nature Materials上。这是国内实验核材料领域和辐照效应领域在Nature Materials发表的首篇论文，并完全由国内单位和研究人员完成。创办于2002年的Nature Materials是材料及其相关领域的顶级学术期刊，在自然科学尤其是材料科学领域极具学术影响力。
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生曹培培为论文共同第一作者，北京大学物理学院付恩刚教授和北京科技大学吕昭平教授为论文共同通讯作者。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，该加速器运行至今已有三十多年，可以进行多种离子注入/辐照实验（H、He、C、O、Si、Cu、Fe、Au等）、卢瑟福背散射分析（RBS）和沟道测量。
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Nature Materials期刊邀请专门在期刊的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，意味着它们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、北京大学测试基金、以及北京大学核技术应用实验室、核物理与核技术国家重点实验室、北京大学电子显微镜实验室、北京大学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。
图1. 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。图b和c比较表明该超晶格钢具有很高的抗辐照肿胀性能
（要点：1. 高温辐照条件下，传统合金材料在辐照开始时辐照损伤累积，此时辐照肿胀较小，一旦辐照损伤超过临界dpa，就会发生快速肿胀，材料的性能也随之迅速退化，而超晶格钢在400 ~ 600 ºC温度范围内表现出超高的抗辐照肿胀性能，未观察到类似传统合金中的辐照肿胀行为；2. 超晶格钢在辐照剂量达到2350 dpa（6 MeV Au离子）后未观察到辐照空洞，而9Cr ODS钢在辐照达到840 dpa后可以观察到高密度的辐照空洞。）
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
（要点：1. 高温辐照前后析出相尺寸、形貌未发生明显变化。相应的原子分辨HAADF-STEM图显示辐照后其有序结构得以保留，同时观察到富Ni区域，结合原子分辨STEM和APT分析可以发现，富Ni区域表现出无序结构，同时在这些富Ni区域内部可以观测到有序纳米粒子；2. HAADF-STEM图可以观察到辐照引入位错环及与位错环相邻的有序纳米粒子存在，辐照引入的位错被纳米粒子有序-无序转变后修复，EDS分析表明修复后的位错环痕迹富Ni，而Al则均匀分布。）
图3. 利用APT三维重构确定室温辐照引起析出相的溶解机理
（要点：1. 为了充分了解动态溶解和再析出过程，对材料进行了室温辐照实验以揭示纳米粒子溶解过程；可以看到：在辐照达到5 dpa后粒子完全溶解；2. 溶解过程为Al被快速从析出相中敲出。）
图4. 利用原位同步辐射XRD和APT三维重构确定高温驱使超晶格纳米粒子析出行为
（要点：1. 把辐照和温度的协同作用区分开，单独研究温度作用下有序纳米粒子的析出行为。原位同步辐射XRD结果表明辐照引起了析出相的快速析出，实验上可以看到在12秒后即可观测到有序纳米粒子信号；2. 对比辐照前样品、高温辐照样品和不含析出相样品经过10分钟同样温度时效后的纳米粒子成分，可以看出后两者Al含量类似，且均低于辐照前样品中有序纳米粒子的Al含量，佐证了辐照条件下的析出相持续的发生动态有序-无序转变。）
图5. 超晶格钢中有序纳米粒子有序-无序转变随时间演变示意图
图6. 有序-无序转变策略在Fe35.8Ni37.6Cr22.9Ti1.7Al2(wt.%)中熵合金中的应用
（要点：1. 中熵合金中的L12有序纳米析出相，在400-600 oC辐照温度范围内可保持动态稳定，室温辐照会导致析出相快速溶解；2. 不同剂量辐照下析出相的成分没有明显的改变。）
论文链接：Superior radiation tolerance via reversible disordering–ordering transition of coherent superlattices (Nature Materials, 2022,DOI:10.1038/s41563-022-01260-y)
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