近期，中国科学院合肥物质院固体所内耗与固体缺陷研究部核材料团队在聚变堆结构材料辐照损伤机制与抑制策略研究方面取得新进展。团队针对结构材料中辐照环境下常见的纳米空洞，基于生物智能算法——差分进化，获得了纳米空洞的结构和能量学性质，并建立了缺陷性质与结构特征的离散线性模型；结合多尺度模拟，揭示了空洞能量学和动力学性质的离散特性及其结构性根源。针对辐照多晶材料中氦致损伤问题，提出了基于晶界结构特征的双重功能调控策略：除通常认识的晶界作为氦的捕获陷阱外，研究发现部分晶界可作为氦的快速扩散通道，有望利用其导出氦，从而缓解氦致损伤。相关工作发表在期刊Nuclear Fusion、Tungsten上，相关方法申请发明专利两项（CN202511295838.2、CN202510930036.8）。
聚变堆结构材料在极端辐照环境中长期服役时，会受到高能中子持续轰击，导致材料内部产生大量非平衡的空位。过量空位逐渐发生迁移、聚集，形成空位团簇以及纳米空洞。纳米空洞会进一步导致材料发生辐照肿胀、硬化、蠕变，进而降低服役寿命。因此，理解纳米空洞的形核、稳定和生长机制是核结构材料辐照损伤研究中的重要科学问题。然而，由于纳米空洞固有的多维势能面以及巨大的构型空间，其原子结构、能量状态、动力学行为以及彼此之间的关联仍缺乏系统认识。
为此，研究人员基于群体智能——差分进化算法发展了一个智能计算框架（图1），系统研究了结构材料中纳米空洞的复杂构型空间，获得了纳米空洞的结构、能量学和动力学离散特性。研究揭示了纳米空洞基态结构与尺寸关系：紧凑的多面体几何构型主导小的纳米空洞，而较大的空洞则表现为由低能表面（如(110)和(100)）界定的刻面（facet）形态（图2(a)）。能量学分析揭示了纳米空洞附近存在着的离散空位能级，每个能级均与特定的局域原子配位环境相关（图2(b–d)）。研究人员基于空位–空位以及空位‒原子成键关系，提出了能量–结构关联性的线性模型（图2(b, c)）；进一步基于空洞附近空位的离散能级特性，提出了考虑非均匀局域环境的空洞溶解模型。动力学分析表明，纳米空洞的扩散特征依赖于团簇结构对称性。该工作以“Unraveling the discrete nature of structural, energetic, and kinetic coupling of nano-voids in body-centered cubic metals through combined atomistic simulation and evolutionary algorithms”为题发表于Tungsten (2026, DOI: 10.1007/s42864-026-00402-y)。
图1. 用于确定金属中纳米空洞基态构型的差分进化（DE）框架示意图。
图2. 铁块体中纳米空洞基态结构、能量学性质及其线性离散模型。
除了上述离位损伤，聚变堆结构材料在高能中子辐照下还会产生高浓度的嬗变气体氦。由于氦在金属中固溶度低、迁移能力强，且易与自身或空位结合形成氦泡，进而引起肿胀、脆化等性能退化问题。细化晶粒、引入高密度晶界能够捕获并分散氦，是缓解氦损伤的重要途径，但这种“捕获”策略主要改变氦的空间分布，并不能真正降低材料中的氦含量。一旦氦在晶界处持续滞留和聚集，将会导致晶界氦脆问题。因此，在使晶界发挥缺陷阱、捕获氦作用的同时，如何进一步利用晶界通道排出氦是减缓氦致损伤的关键。
通过对大量晶界缺陷性质的高通量计算发现，晶界对氦的作用表现出双重功能：除作为常规的氦捕获阱之外，部分晶界拥有较大的局域自由体积，其内较低的氦结合能与迁移能垒使得该类晶界可充当氦的快速输运通道，并可经由与自由表面连通实现氦的排出。进一步的实体动力学蒙特卡洛（OKMC）模拟证实了铁体系中这种捕获–输运策略的有效性（图3）。针对钨晶界的对比研究揭示了一致的物理图像。上述结果构建了“捕获—输运—排出”的晶界氦管理图景（图4），阐明了氦偏聚、沿晶界迁移直至最终脱离材料体系的微观作用机制，为实验层面依托晶界工程实现从被动缺陷捕获到主动氦排出的转变，进而定向优化聚变堆材料的抗氦损伤性能，提供了理论依据。该工作以“Towards mitigating helium damage in nano-crystal iron and tungsten: A strategy based on the dual trap-channel functionality of grain boundaries tuned by their crystallographic character”为题发表于Nuclear Fusion (2026, DOI: 10.1088/1741-4326/aea7b3)。
图3. 代表性铁晶界中多氦演化的OKMC模拟：不同温度下氦滞留、团簇分布及逃逸比例。
图4. 纳米晶金属中氦输运与排出的竞争机制示意图，包括晶界辅助的“输运—排出”与“捕获—滞留”两种模式。
该系列研究阐明了结构材料中纳米空洞的离散缺陷性质及其与结构的关联性，以及晶界调控氦行为的微观物理机制，加深了对材料辐照损伤机制的认识，为聚变堆抗辐照材料设计提供了基本作用模型和理论支撑。固体所博士后李小林和博士生钱方清为文章的共同第一作者，固体所李祥艳副研究员为文章的通讯作者。
上述工作得到了国家重点研发计划、国家磁约束聚变能发展研究专项、国家自然科学基金以及国家资助博士后研究人员计划的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1007/s42864-026-00402-y
文章链接：https://doi.org/10.1088/1741-4326/aea7b3
