离子束能源材料实验室

摘要

在高剂量辐照下，核反应堆工程材料中会产生各种辐照损伤，导致材料性能退化，严重限制了材料在未来先进核反应堆中的应用。应用于未来核反应堆的钨基材料不仅要经受高能中子和等离子体的辐照，还要承受热负荷的反复冲击。过去几十年的研究已经证明，纳米结构在消除辐照缺陷方面具有突出优势。随着纳米结构钨的快速发展，探索纳米结构钨的辐照行为对于推动新型抗辐照材料的发展具有重要意义。近日，武汉大学肖湘衡教授团队在英文刊《Tungsten》上在线发表了标题为“核能应用纳米结构钨的辐照响应研究进展”的综述文章。该篇文章围绕用于抗辐照结构材料设计的三种纳米结构钨，纳米晶钨、纳米多层钨和纳米孔钨的研究现状，讨论了不同纳米结构在辐照环境中的性能增强机理。在文章的最后，作者总结了纳米结构钨在目前面临的挑战，并对未来的研究方向进行了展望。

图1 三种典型用于核能应用的钨纳米结构

图2 纳米晶钨中的大量晶界对辐照缺陷的吸收[1]

[1] El-Atwani O, et al. Acta Mater. 2019;165:118.

图2所示为纳米晶钨的原位辐照实验，证明了大量晶界可以快速且连续地吸收辐照位错环。与粗晶钨相比，纳米晶钨具有更好的耐强辐照和耐高温性能，纳米晶化也是获得纳米结构钨最便捷的方法。

图3 多种纳米多层钨[2-6]

[2] Li N, et al. J Nucl Mater. 2009;389(2):233. [3] Dong L, et al. J Nucl Mater. 2017;497:117. [4] Chen F, et al. Appl Surf Sci. 2015;357:1225. [5] Si S, et al. Adv Mater. 2017;29(3):1604623.[6] Wang H, et al. J Nucl Mater. 2014;455(1-3):86.

如图3所示为多种纳米多层钨，多层结构中的界面可以作为捕获缺陷的位点。在厚度方向上，多层纳米膜中层间界面的存在也可以抑制纳米层的粗化，而由于高熔点钨层的存在保证了纳米多层结构在热稳定性方面的优异性能。

钨与非金属之间较大的混合焓可以保证钨/非金属多层纳米膜在不同厚度尺寸范围内的相稳定性。如钨/石墨烯纳米多层能够在优化界面热导的情况下对辐照产生的He气泡有很好的抑制作用。

图4 纳米多孔钨以及自由表面与点缺陷相互作用的分子动力学模拟[7-9]

[7] Zhao M, et al. Acta Mater. 2020;182:215. [8] Aradi E, et al. Nanomaterials-Basel. 2018;8(12):1052. [9] Duan G, et al. J Nucl Mater. 2018;498:362.

纳米多孔钨兼具钨合金与多孔材料的优点，同时具有优良的热稳定性以及大量的自由表面。自由表面被认为是辐照缺陷的完美接收位点。不同于上述两种纳米结构中的固体-固体界面，高密度的自由表面作为缺陷超过临界剂量的释放位置，使得在纳米孔结构中辐照损伤难以累积。

总结与展望

大量的实验证据表明，纳米结构钨能够有效地降低辐照过程中产生的缺陷，尽管机理不同，但是三种特殊的结构设计都可以显著提高纳米结构钨的抗辐照性能。尽管在抗辐照纳米结构钨方面已经开展了一些令人振奋的研究，但仍有几个问题有待解决：（1）需要更多的辐照实验数据来评估纳米结构钨的抗辐照能力，以确保这些新型结构材料在服役环境下能正常使用；（2）很少有研究报道高温和辐照协同作用下纳米结构的可靠性。在先进核反应堆的高温环境下，纳米结构在使用寿命内是否会失效仍是一直值得探索的问题；（3）纳米钨的大规模制备一直是阻碍其实际应用的瓶颈。未来在克服上述问题的基础上，纳米钨有望在实际的核电应用中带来新的活力。

全文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42864-021-00075-9

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