【儀表網 研發快訊】核能作為一種可調度性的清潔能源，是實現“碳達峰，碳中和”目標的重要能源組成。核反應堆中，材料在輻照下通常會發生微觀結構和性能的嚴重退化。為了實現先進核能體系的快速發展和安全應用、滿足現役反應堆的延壽需求，發展高性能抗輻照核能材料刻不容緩。
在中國科學院戰略性先導專項和國家自然科學基金等項目的資助下，中國科學院金屬研究所與山東大學、中國科學院近代物理研究所、遼寧材料實驗室團隊合作，創新性提出通過“自適應馬氏體相變”提高金屬材料抗輻照性能的策略，實現了核級304奧氏體不銹鋼(304NG)抗輻照能力的大幅提升，為先進抗輻照材料的研發提供了新的途徑。相關成果以“Improved Radiation Resistance in Metals via Adaptive Martensitic Transformation”為題于12月11日發表于《自然·通訊》(Nature Communications)雜志上。金屬所王鎮波研究員和山東大學高寧教授為論文的共同通訊作者，金屬所博士生張澍和山東大學博士生董怡斌為論文共同第一作者。
研究團隊通過表面納米化技術在廣泛應用于核反應堆的304NG中制備了由高密度層錯、低能界面和位錯網絡等結構特征組成的納米結構(GNS 304NG，圖1)，使得該材料具有優異的抗輻照能力(圖2)。例如，在室溫超高劑量(155 dpa)輻照后，GNS 304NG樣品中的輻照缺陷密度和尺寸僅為粗晶樣品中的3.8%和63%；在高溫(450 °C)輻照時GNS 304NG樣品也同樣表現出比粗晶樣品更為優異的抗輻照性能。結合微觀結構表征和分子動力學模擬(圖3)，研究團隊發現，GNS 304NG優異的抗輻照性能與輻照誘發的自適應馬氏體相變密切相關：輻照缺陷與材料中預制的層錯相互作用而誘發馬氏體相變，加速輻照缺陷的消失；此外，高密度層錯還促使馬氏體相向周圍不斷拓展，在加速消耗輻照缺陷的同時形成連續分布的馬氏體相。進一步的微納力學實驗證實，GNS 304NG中大規模的自適應馬氏體相變不會造成材料力學性能的惡化(圖4)，將傳統上輻照誘發馬氏體相變造成材料脆化這一有害過程轉變為一個有益的過程。由于自適應馬氏體相變機制在從低劑量到極高劑量、從低溫到高溫的輻照下均保持有效，加之所采用的表面納米化技術具有低成本和工業上易于實現的特點，本工作表明，將表面納米化技術與自適應馬氏體相變結合，可為現行及未來核設施提供一種大幅提升抗輻照能力的策略，應用于奧氏體不銹鋼及鈦合金等在輻照下可發生馬氏體轉變的金屬材料中。
圖1. GNS 304NG的微觀結構
圖2. GNS 304NG優異的抗輻照性能
圖3. GNS 304NG中高密度層錯與輻照缺陷相互作用，發生自適應馬氏體相變
圖4. GNS 304NG樣品輻照前后的力學性能
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