基础研究破解持续近半个世纪的应用难题：离子辐照定量预测中子辐照肿胀

先进核能系统能否长期安全运行，取决于结构材料抵抗中子辐照损伤的能力。中子会在材料内制造大量原子尺度缺陷，这些缺陷逐渐聚集成纳米空腔，最终引发材料肿胀、尺寸失稳和性能退化。然而，获得高剂量中子辐照数据往往需要多年甚至十余年，成本高且辐照后样品具有放射性;相比之下，离子辐照可在数天内模拟多年累积的损伤，因此被广泛采用(现有文献中约95%的辐照实验数据来自离子辐照)。但离子辐照的剂量率通常比中子辐照高出3—4个数量级，两者结果难以直接换算。近日，北京大学物理学院重离子物理研究所、核物理与核技术全国重点实验室王晨旭、王宇钢研究团队联合美国田纳西大学等单位研究人员，基于团簇动力学模拟、理论推导和离子辐照实验，在固定温度下建立了材料肿胀与辐照剂量、剂量率之间的定量关系，实现了利用快速离子辐照预测中子辐照肿胀，为核能材料的快速筛选和寿命评价提供了新工具。

图1 离子辐照可在数天内获得高剂量数据，而中子辐照往往需要多年;本研究建立了二者之间的定量预测路径。

辐照剂量可以理解为一场雨的“总雨量”，剂量率则相当于“降雨强度”。同样的总雨量，细雨持续十天与暴雨集中一天，对地面的影响并不相同。材料中也是如此：高剂量率会使更多缺陷同时存在，改变缺陷复合、聚集和迁移的竞争过程，相同剂量并不一定产生相同的肿胀程度。1978年，Mansur提出了温度平移(Temperature-shift)等效方法，通过提高离子辐照温度来补偿剂量率差异，但48年来一直没有理论上的突破，且这种方法主要适用于较低剂量，在高剂量下难以可靠预测。因此，如何跨越剂量率鸿沟，建立离子—中子定量等效模型，是实现核能材料抗辐照性能可靠评价的关键，也是核能材料领域持续近半个世纪的研究难题。

图2 剂量率效应示意图：高剂量率使更多缺陷同时存在，并促进空腔和位错环等缺陷形核。

研究团队从空腔形成和生长的物理过程出发，创新性地提出了一条不同的研究路径：不再试图通过调整温度来抵消剂量率差异，而是在固定温度下，基于材料自身的辐照响应，直接建立空腔肿胀与辐照剂量、剂量率之间的定量关系。该物理框架能够描述不同材料从孕育、快速增长到高剂量阶段的非线性肿胀行为，并得到了奥氏体不锈钢、铁素体/马氏体钢等多类材料的大量实验数据验证。进一步的离子辐照实验表明，只需利用同一温度下不同剂量和剂量率的离子数据确定模型参数，就能成功预测快堆中子辐照结果。

图3 模型在高剂量外推、等效剂量换算和离子—中子肿胀预测中的验证结果。

这项工作的关键突破在于，它同时解决了辐照肿胀预测中的两个关键问题：一方面，能从低剂量的中子辐照数据预测高剂量中子辐照;另一方面，能够通过高剂量率的离子辐照肿胀预测相差数个数量级的低剂量率的中子辐照。此外，由于该方法成功分离了材料参数和辐照参数，可以应用于复杂合金，为核能结构材料的快速筛选、长期性能评价和安全设计提供了定量工具，尤其对缺乏聚变中子条件的未来聚变堆材料研发具有重要价值。

该研究以“Bridging Ion and Neutron Irradiation: A Predictive Framework for Swelling in Structural Alloys”为题，于2026年7月发表于《PRX Energy》。北京大学物理学院重离子物理研究所2023级博士生陈登煌、2022届博士葛伟和2025届博士罗冯平为论文共同第一作者，王晨旭、王宇钢为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金和国家磁约束核聚变能发展研究专项的支持。