讓抗輻射能力提高100倍的高溫合金

材料牛注：隨著煤和石油等不可再生能源的減少，核能已經成為人類的目標能源。為了更安全地應用核能，我們必須要找到可靠的抗輻射材料。近期，密歇根州立大學的研究人員研發了一種包含三種或三種以上元素的合金，具有超強的抗輻射能力。

在核工業領域應用的金屬材料面臨的最大挑戰就是高溫下的抗輻射能力，一般的核燃料金屬保護層在高溫下都會膨脹，其體積甚至會變成原來的二倍。這種膨脹不僅會影響整體結構的其他部分，還會使其強度降低。

密歇根州立大學核工程與放射科學的Lumin Wang 教授表示：“當輻射粒子進入金屬材料中的時候，原有晶格結構中的原子被‘打’出來，取代原子在金屬結構中快速移動。留下來的空位卻不能移動，如果同一區域中有多個原子被取代，這些空位就會聚合成為大的孔洞，從而影響材料性能。”

為了控制這些空洞的形成以及隨之而來的金屬膨脹，目前大多數的研究人員都把目標放在如何創造納米級的內部結構，使其在一定程度上吸收缺陷，從而保護原材料的完整性。但是Lumin Wang教授的研究團隊卻選擇了最傳統的方法，創造出沒有晶格缺陷的合金。

Lumin Wang教授和他的同事們制造了一系列的鎳基合金試樣。這些合金具有很高的強度和延展性，是由相同含量的鎳、鈷、鐵或者鎳、鈷、鐵、鉻、錳組成的高密度固溶體。為了檢測其抗輻射能力，他們的合作者田納西州大學的研究人員將這些試樣暴露在核輻射中，其輻射水平相當于在一個核反應堆中心積累了幾年甚至幾十年。值得注意的是，該項輻射實驗是在500℃下完成的，也就是傳統的鎳基合金發生膨脹的溫度。隨后，密歇根州立大學材料性能研究中心的研究人員用透射電鏡對經過輻射的樣品進行分析，他們發現，該合金的抗輻射能力比傳統純鎳金屬的抗輻射能力高了100多倍。

為了進一步解釋該合金的抗輻射特性，核工程與放射科學的理論專家Fei Gao教授在原子水平進行了計算機仿真，發現其抗輻射能力歸因于被取代原子在材料中的運動形式。他解釋道：“簡單地講，在合金中原子大小不同，相當于形成了一些‘隆起’或‘凹坑’，取代原子就會因為受到碰撞而減速。因此取代原子和晶格中的空位挨著很近，它們很容易結合到一起，從而使空位得到修復，不能形成大的孔洞。”

目前，該項研究成果已經發表在Nature Communications期刊。

原文鏈接：Toward safer, long-life nuclear reactors: Metal design could raise radiation resistance by 100 times.

文獻鏈接：Enhancing radiation tolerance by controlling defect mobility and migration pathways in multicomponent single phase alloys.

本文由材料人編輯部楊樹提供素材，陳靜編譯，點我加入材料人編輯部。

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