让抗辐射能力提高100倍的高温合金

材料牛注：随着煤和石油等不可再生能源的减少，核能已经成为人类的目标能源。为了更安全地应用核能，我们必须要找到可靠的抗辐射材料。近期，密歇根州立大学的研究人员研发了一种包含三种或三种以上元素的合金，具有超强的抗辐射能力。

在核工业领域应用的金属材料面临的最大挑战就是高温下的抗辐射能力，一般的核燃料金属保护层在高温下都会膨胀，其体积甚至会变成原来的二倍。这种膨胀不仅会影响整体结构的其他部分，还会使其强度降低。

密歇根州立大学核工程与放射科学的Lumin Wang 教授表示：“当辐射粒子进入金属材料中的时候，原有晶格结构中的原子被‘打’出来，取代原子在金属结构中快速移动。留下来的空位却不能移动，如果同一区域中有多个原子被取代，这些空位就会聚合成为大的孔洞，从而影响材料性能。”

为了控制这些空洞的形成以及随之而来的金属膨胀，目前大多数的研究人员都把目标放在如何创造纳米级的内部结构，使其在一定程度上吸收缺陷，从而保护原材料的完整性。但是Lumin Wang教授的研究团队却选择了最传统的方法，创造出没有晶格缺陷的合金。

Lumin Wang教授和他的同事们制造了一系列的镍基合金试样。这些合金具有很高的强度和延展性，是由相同含量的镍、钴、铁或者镍、钴、铁、铬、锰组成的高密度固溶体。为了检测其抗辐射能力，他们的合作者田纳西州大学的研究人员将这些试样暴露在核辐射中，其辐射水平相当于在一个核反应堆中心积累了几年甚至几十年。值得注意的是，该项辐射实验是在500℃下完成的，也就是传统的镍基合金发生膨胀的温度。随后，密歇根州立大学材料性能研究中心的研究人员用透射电镜对经过辐射的样品进行分析，他们发现，该合金的抗辐射能力比传统纯镍金属的抗辐射能力高了100多倍。

为了进一步解释该合金的抗辐射特性，核工程与放射科学的理论专家Fei Gao教授在原子水平进行了计算机仿真，发现其抗辐射能力归因于被取代原子在材料中的运动形式。他解释道：“简单地讲，在合金中原子大小不同，相当于形成了一些‘隆起’或‘凹坑’，取代原子就会因为受到碰撞而减速。因此取代原子和晶格中的空位挨着很近，它们很容易结合到一起，从而使空位得到修复，不能形成大的孔洞。”

目前，该项研究成果已经发表在Nature Communications期刊。

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

文献链接：Enhancing radiation tolerance by controlling defect mobility and migration pathways in multicomponent single phase alloys.

本文由材料人编辑部杨树提供素材，陈静编译，点我加入材料人编辑部。

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