核装置材料“肿胀验伤”有了新路径

　　本报讯 和平利用核能，提高清洁能源比重，是我国能源发展战略的重要内容。在核能开发利用过程中，核反应堆的相关装置虽然是用“特殊材料”制成的，但在高能粒子无休止的连续轰击下仍会产生不可避免的损伤，直接影响核反应堆服役寿命。如何精确地给这些被无情“胖揍”的材料“验伤”呢？
　　近日，由中国石油大学（北京）理学院材料科学与工程系与美国普度大学等科研机构合作的纳米金属辐照损伤研究取得重要进展，研究成果在材料研究领域国际著名期刊《Nano Letters》（2015年影响因子为13.779）上发表，论文《Measurement of heavy ion irradiation induced in-plane strain in patterned face-centered-cubic metal films: an in situ study》（《面心立方金属薄膜中重离子辐照诱发平面应变的原位测量》）的第一署名单位为中国石油大学(北京)，第一作者与通讯作者均为石大青年拔尖人才、理学院材料科学与工程系副教授于开元。
　　据于开元介绍，如果把金属晶体比作一堵堆砌整齐的墙，那么核反应环境中的高能粒子就仿佛是从重型机枪中射出的子弹,子弹持续射向墙壁，就会引发墙壁结构破损，承重能力下降甚至坍塌，这就是金属材料的辐照损伤。辐照损伤最为有害也最受关注的类型是辐照肿胀，它是材料长期暴露在辐照环境中体积逐渐变大的一种现象，直接后果是材料脆化，反应堆使用寿命缩短。
　　测量材料肿胀率的传统方法一般为间接测量，将高能离子轰击后的材料置于透射电子显微镜下观察并计算孔洞所占的体积分数，但这种方法不适用于低剂量辐照下的测量。于开元副教授等的研究成果，是利用聚焦离子束技术在金属薄膜材料内引入直径为纳米尺度的“标记”，然后在透射电子显微镜中对材料进行辐照（称为“原位辐照”），同时利用视频记录“标记”的迁移情况，从而直接测量较低辐照剂量下的材料肿胀率；此外，该研究通过对辐照过程中材料内部演变的实时观察，还可以发现纳米材料的反常肿胀行为：在未产生孔洞之前，材料会通过晶粒倾转等机制发生肿胀——类似于墙壁中的大量砖块由水平方向旋转为垂直方向，从而导致墙壁在垂直方向升高。
　　这一成果，为较低辐照剂量下材料肿胀率的直接测量开辟了新的路径，对新型耐肿胀金属材料的开发与表征有较高借鉴意义。（本报记者 本报通讯员）