湖南大学物电院邓辉球教授团队在原子尺度解码核材料辐照缺陷演化之谜

核能材料在反应堆内服役过程中长期经受高通量中子辐照、高温和高腐蚀性冷却介质等极端条件的考验，这些极端条件会导致材料内部产生大量的缺陷（例如空位、四面体堆垛层错和空洞等），严重影响其性能与使用寿命。如何评估与预测核能材料在辐照下的行为一直是先进核能发展的关键科学问题之一。

近日，湖南大学物理与微电子科学学院邓辉球教授课题组与合作团队在该领域取得重要进展。研究团队自主开发了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，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的工具。

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。湖南大学物理与微电子科学学院为该论文第一完成单位，物电院在站博士后林也平（模拟计算）和西安交通大学卢晨阳教授（实验验证）为共同第一作者，邓辉球教授和美国密歇根大学Gao Fei教授为共同通讯作者。湖南大学材料院杨腾飞教授和北京航空航天大学吕广宏教授等也在实验分析方面做出了重要贡献。该工作得到国家磁约束核聚变能发展研究专项和国家自然科学基金等项目的资助。

在国家超级计算长沙中心等单位的算力支持下，邓辉球教授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, 289 (2025) 120879, 297 (2025) 121316, 301 (2025) 121524)。

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。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/p629-97jn

来源：物电院

责任编辑：文亦佳