核能材料的“進(jìn)化之路”

在核反應(yīng)堆核心部件的設(shè)計(jì)中，材料的抗輻射性能直接決定設(shè)備壽命與安全性。傳統(tǒng)低活化材料（如鐵素體/馬氏體鋼、釩基合金）雖能減少核廢料放射性，卻存在輻射腫脹、硬化等問題。近年來，體心立方結(jié)構(gòu)高熵合金（BCC-HEA）因獨(dú)te的“化學(xué)復(fù)雜性”和“晶格畸變效應(yīng)”，展現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻射性能，成為新一代核材料的焦點(diǎn)。中科院高能物理研究所團(tuán)隊(duì)最xin研發(fā)的Ti?V??.?Cr??.?Mn??.?Fe??.?Si?高熵合金，通過正電子湮沒譜學(xué)等技術(shù)，揭示了其在ji端輻射環(huán)境下的zhuo越表現(xiàn)。

抗輻射與材料穩(wěn)定的兩難

傳統(tǒng)合金在高劑量輻射下（如188 dpa，相當(dāng)于每個(gè)原子被撞擊近200次）常出現(xiàn)空洞腫脹和硬化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。而多數(shù)高熵合金雖抗輻射性能突出，卻因含鉬、鈮等易活化元素，無法滿足核反應(yīng)堆低放射性要求。如何設(shè)計(jì)兼具“低活化”與“高抗輻射”的合金，成為材料科學(xué)界的重大挑戰(zhàn)。

技術(shù)創(chuàng)新：晶格收縮與缺陷“陷阱”的突破

研究團(tuán)隊(duì)通過500 keV硅離子輻照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該高熵合金在188 dpa超高劑量下展現(xiàn)出反常的晶格收縮現(xiàn)象，而非傳統(tǒng)合金的膨脹。正電子湮沒壽命譜測(cè)量顯示，合金中空位缺陷濃度顯著高于傳統(tǒng)材料（S參數(shù)值降低3.3%），結(jié)合多普勒展寬能譜分析（W參數(shù)變化揭示析出相界面作用），團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：

1. 高平衡空位濃度：密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，合金空位形成能比純金屬低30%-50%，高溫下空位濃度提升超10?倍，成為輻射缺陷的“天然吸收池”。

2. 析出相界面效應(yīng)：納米級(jí)TiFe?Si析出相與基體間的“錯(cuò)配位錯(cuò)”形成應(yīng)力場，將輻射誘導(dǎo)的空位與間隙原子導(dǎo)向界面處湮滅，抑制空洞形成。

正電子技術(shù)如何“看見”微觀缺陷？

正電子湮沒譜學(xué)通過追蹤正電子在材料中的“壽命”與湮沒光子的能量分布，揭示微觀缺陷：

· 壽命譜儀：測(cè)量正電子從注入到湮沒的時(shí)間，壽命越長表明缺陷尺寸越大。實(shí)驗(yàn)顯示，該合金輻射后空位團(tuán)簇尺寸僅3.2納米，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)合金。

· 多普勒展寬譜：分析湮沒光子能量展寬，S參數(shù)反映低動(dòng)量電子（空位缺陷），W參數(shù)關(guān)聯(lián)高動(dòng)量電子（析出相）。數(shù)據(jù)顯示，該合金在高劑量下仍保持穩(wěn)定的析出相結(jié)構(gòu)。

核能材料的未來藍(lán)圖

該合金在188 dpa輻射下零空洞腫脹，硬化率僅2.2%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料（如鎳基合金硬化率可達(dá)50%）。其性能優(yōu)勢(shì)源于三重機(jī)制：高空位濃度、析出相界面缺陷捕獲、高熵合金本征抗輻照特性。這一發(fā)現(xiàn)為新一代核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料提供了全新設(shè)計(jì)思路，有望應(yīng)用于快中子堆、聚變堆等高輻射環(huán)境。

國產(chǎn)正電子譜儀助力材料研究

安徽核芯電子科技有限公司的DPLS-4000數(shù)字化正電子湮沒壽命譜儀與DCDB-3000符合多普勒展寬譜儀可精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)論文中的測(cè)試場景：

· DPLS-4000時(shí)間分辨率≤190ps，一鍵測(cè)量實(shí)現(xiàn)材料缺陷快速分析；

· DCDB-3000峰谷比≥3.6×10?，支持S/W參數(shù)計(jì)算，深度解析電子動(dòng)量分布。

這項(xiàng)研究發(fā)表于《Intermetallics》期刊，標(biāo)志著我國在核材料領(lǐng)域取得重要突破，為清潔能源發(fā)展注入新動(dòng)能。