湖南大學/美國密歇根大學《PRL》：原子尺度揭秘輻照損傷護航先進核能

先進核裂變與核聚變反應堆材料在服役過程中，需要承受高輻照劑量和高溫極端環境，這會在材料內部產生大量微觀缺陷，嚴重影響材料的力學性能和使用壽命。其中，空洞會導致材料體積腫脹，是核材料失效的重要原因；而另一類缺陷——堆垛層錯四面體，則可能在一定程度上抑制材料性能退化。長期以來，科學界尚不清楚：在相同輻照條件下，為什么有些合金更容易形成空洞，而有些則更傾向形成堆垛層錯四面體？

近日，針對這一關鍵科學問題，湖南大學鄧輝球教授團隊聯合美國密歇根大學Gao Fei教授自主開發了一種基于缺陷演化速率的長時間動力學模擬（DRLD）方法，首次實現了具有可與實驗對比的長時間尺度和原子級空間分辨信息的高效率模擬。研究團隊基于DRLD方法，發現面心立方復雜固溶體合金在輻照條件下會通過“空位-四面體形成與解體兩步演化”的物理機制形成空洞或堆垛層錯四面體，其中局域化學成分變化對缺陷演化結果起著決定性作用。這一發現在原子尺度上統一解釋了以往實驗中關于不同元素對輻照缺陷“促進或抑制”作用的分歧現象，并與離子輻照實驗結果一致，具有重要的普適意義。該工作為通過精準成分設計與局域化學調控來主動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計準則。此外，團隊開發的DRLD模擬方法拓展了目前多尺度模擬框架中的時間尺度和空間分辨率，可推廣應用于相分離、蠕變等其它材料微結構演變的長程模擬，為評估和預測材料在極端環境下的長期服役性能提供了強大工具。此項工作為面向新一代核能系統的高性能結構材料的理性設計與研發奠定了關鍵科學基礎，對提升裝備可靠性、保障核能安全運行具有積極的推動作用。

研究成果以“Formation of Voids or Stacking-Fault Tetrahedra Induced by Local Chemical Variations in Face-Centered-Cubic Complex Concentrated Alloys”為題發表在物理學權威學術期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）2026年第一期上。論文共同第一作者為湖南大學林也平博士后和西安交通大學盧晨陽教授，共同通訊作者為湖南大學鄧輝球教授和密歇根大學Fei Gao教授。

【論文鏈接】

Yeping Lin, Chenyang Lu, Tengfei Yang, Zhengxiong Su, Yixin Deng, Wangyu Hu, Huiqiu Deng, Guanghong Lu, and Fei Gao, Formation of Voids or Stacking-Fault Tetrahedra Induced by Local Chemical Variations in Face-Centered-Cubic Complex Concentrated Alloys. Phys. Rev. Lett. 136, 016102 (2026). https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/p629-97jn

應用DRLD模擬方法發現了空位-四面體向空洞或堆垛層錯四面體演化的物理機制

不同局域化學濃度調控下的空洞和堆垛層錯四面體形成機制

該機制對不同化學成分材料空位團簇演化特征的適用性以及實驗驗證

在國家超級計算長沙中心等單位的算力支持下，鄧輝球課題組長期從事先進核能和新能源材料領域的計算模擬研究工作，承擔了多項國家重點研發計劃、國家磁約束核聚變能發展研究專項、國家自然科學基金和國家核技術研發等項目課題，近期在Nature、Science Advances和Acta Materialia等重要學術期刊上發表了一系列研究論文 (Nature 626 (2024) 1005; Science Advances 11(2025) eadq4070; Acta Materialia 306 (2026) 121899, 301 (2025) 121524, 301 (2025) 121529, 297 (2025) 121316, 289 (2025) 120879)。第一作者林也平博士以第一作者身份在Physical Review Letters和Acta Materialia等國際著名期刊上發表學術論文多篇，主持國家自然科學基金青C項目、中國博士后基金面上項目等科研課題多項。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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