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仪表网 研发快讯】核能作为一种可调度性的清洁能源，是实现“碳达峰，碳中和”目标的重要能源组成。核反应堆中，材料在辐照下通常会发生微观结构和性能的严重退化。为了实现先进核能体系的快速发展和安全应用、满足现役反应堆的延寿需求，发展高性能抗辐照核能材料刻不容缓。
在中国科学院战略性先导专项和国家自然科学基金等项目的资助下，中国科学院金属研究所与山东大学、中国科学院近代物理研究所、辽宁材料实验室团队合作，创新性提出通过“自适应马氏体相变”提高金属材料抗辐照性能的策略，实现了核级304奥氏体不锈钢(304NG)抗辐照能力的大幅提升，为先进抗辐照材料的研发提供了新的途径。相关成果以“Improved Radiation Resistance in Metals via Adaptive Martensitic Transformation”为题于12月11日发表于《自然·通讯》(Nature Communications)杂志上。金属所王镇波研究员和山东大学高宁教授为论文的共同通讯作者，金属所博士生张澍和山东大学博士生董怡斌为论文共同第一作者。
研究团队通过表面纳米化技术在广泛应用于核反应堆的304NG中制备了由高密度层错、低能界面和位错网络等结构特征组成的纳米结构(GNS 304NG，图1)，使得该材料具有优异的抗辐照能力(图2)。例如，在室温超高剂量(155 dpa)辐照后，GNS 304NG样品中的辐照缺陷密度和尺寸仅为粗晶样品中的3.8%和63%；在高温(450 °C)辐照时GNS 304NG样品也同样表现出比粗晶样品更为优异的抗辐照性能。结合微观结构表征和分子动力学模拟(图3)，研究团队发现，GNS 304NG优异的抗辐照性能与辐照诱发的自适应马氏体相变密切相关：辐照缺陷与材料中预制的层错相互作用而诱发马氏体相变，加速辐照缺陷的消失；此外，高密度层错还促使马氏体相向周围不断拓展，在加速消耗辐照缺陷的同时形成连续分布的马氏体相。进一步的微纳力学实验证实，GNS 304NG中大规模的自适应马氏体相变不会造成材料力学性能的恶化(图4)，将传统上辐照诱发马氏体相变造成材料脆化这一有害过程转变为一个有益的过程。由于自适应马氏体相变机制在从低剂量到极高剂量、从低温到高温的辐照下均保持有效，加之所采用的表面纳米化技术具有低成本和工业上易于实现的特点，本工作表明，将表面纳米化技术与自适应马氏体相变结合，可为现行及未来核设施提供一种大幅提升抗辐照能力的策略，应用于奥氏体不锈钢及钛合金等在辐照下可发生马氏体转变的金属材料中。
图1. GNS 304NG的微观结构
图2. GNS 304NG优异的抗辐照性能
图3. GNS 304NG中高密度层错与辐照缺陷相互作用，发生自适应马氏体相变
图4. GNS 304NG样品辐照前后的力学性能
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