湖南大学/美国密歇根大学《PRL》：原子尺度揭秘辐照损伤护航先进核能

先进核裂变与核聚变反应堆材料在服役过程中，需要承受高辐照剂量和高温极端环境，这会在材料内部产生大量微观缺陷，严重影响材料的力学性能和使用寿命。其中，空洞会导致材料体积肿胀，是核材料失效的重要原因；而另一类缺陷——堆垛层错四面体，则可能在一定程度上抑制材料性能退化。长期以来，科学界尚不清楚：在相同辐照条件下，为什么有些合金更容易形成空洞，而有些则更倾向形成堆垛层错四面体？

近日，针对这一关键科学问题，湖南大学邓辉球教授团队联合美国密歇根大学Gao Fei教授自主开发了一种基于缺陷演化速率的长时间动力学模拟（DRLD）方法，首次实现了具有可与实验对比的长时间尺度和原子级空间分辨信息的高效率模拟。研究团队基于DRLD方法，发现面心立方复杂固溶体合金在辐照条件下会通过“空位-四面体形成与解体两步演化”的物理机制形成空洞或堆垛层错四面体，其中局域化学成分变化对缺陷演化结果起着决定性作用。这一发现在原子尺度上统一解释了以往实验中关于不同元素对辐照缺陷“促进或抑制”作用的分歧现象，并与离子辐照实验结果一致，具有重要的普适意义。该工作为通过精准成分设计与局域化学调控来主动抑制空洞肿胀从而提升材料的抗辐照性能提供了清晰的研究方向与设计准则。此外，团队开发的DRLD模拟方法拓展了目前多尺度模拟框架中的时间尺度和空间分辨率，可推广应用于相分离、蠕变等其它材料微结构演变的长程模拟，为评估和预测材料在极端环境下的长期服役性能提供了强大工具。此项工作为面向新一代核能系统的高性能结构材料的理性设计与研发奠定了关键科学基础，对提升装备可靠性、保障核能安全运行具有积极的推动作用。

研究成果以“Formation of Voids or Stacking-Fault Tetrahedra Induced by Local Chemical Variations in Face-Centered-Cubic Complex Concentrated Alloys”为题发表在物理学权威学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）2026年第一期上。论文共同第一作者为湖南大学林也平博士后和西安交通大学卢晨阳教授，共同通讯作者为湖南大学邓辉球教授和密歇根大学Fei Gao教授。

【论文链接】

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

应用DRLD模拟方法发现了空位-四面体向空洞或堆垛层错四面体演化的物理机制

不同局域化学浓度调控下的空洞和堆垛层错四面体形成机制

该机制对不同化学成分材料空位团簇演化特征的适用性以及实验验证

在国家超级计算长沙中心等单位的算力支持下，邓辉球课题组长期从事先进核能和新能源材料领域的计算模拟研究工作，承担了多项国家重点研发计划、国家磁约束核聚变能发展研究专项、国家自然科学基金和国家核技术研发等项目课题，近期在Nature、Science Advances和Acta Materialia等重要学术期刊上发表了一系列研究论文 (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等国际著名期刊上发表学术论文多篇，主持国家自然科学基金青C项目、中国博士后基金面上项目等科研课题多项。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

近期学术会议推荐