中日团队揭示聚变磁体候选超导体辐照稳定性差异

未来磁约束聚变装置需要依靠强超导磁体维持等离子体约束，这类磁体即使经过屏蔽，仍可能长期处于中子辐照环境中。针对候选超导材料在辐照下的结构稳定性，北京科技大学与日本北海道大学的研究人员开展了一项原位对比实验，发现两种聚变相关超导体在相同电子束条件下表现出明显差异。

这项研究由北京科技大学材料科学与工程学院韩文妥、万发荣和北海道大学工学部 (Faculty of Engineering at Hokkaido University) 大贯染井 (Somei Ohnuki) 合作完成，相关成果于2026年8月26日发表在《Originality》上。研究团队利用原位高压电子显微镜 (HVEM)，在室温条件下对Bi-2212和Nb3Al超导线材薄样品进行电子辐照，从而在同一实验框架内追踪辐照损伤积累过程。

1250 keV 电子辐照下 Bi-2212 微观结构及选区电子衍射（SAED）花样的演变

1250 keV 电子辐照下 Nb3Al 微观结构及选区电子衍射(SAED)花样的演变。

实验中，两种材料均接受能量为1250千电子伏的电子束辐照，电子通量为2.92×10²³个电子/平方米/秒。计算得到的损伤率分别为1.06×10⁻³和1.22×10⁻³原子位移/秒。研究人员通过明场透射电子显微镜和选区电子衍射记录微观结构变化。

结果显示，层状铜酸盐超导体Bi-2212在辐照25分钟后开始出现衬度变化和微弱非晶衍射晕;35分钟时无序程度进一步增加;40分钟时大部分衍射斑点消失;50分钟后，原有层状结构消失，衍射图样完全弥散，表明材料已发生完全非晶化。研究人员认为，这与Bi-2212复杂的层状键合结构以及氧原子较易发生位移有关。

相比之下，A15型超导体Nb3Al在更长时间辐照后仍保持晶体结构。实验进行至90分钟时，Nb3Al未出现非晶晕，也未观察到衍射斑点消失，显示出较强的抗非晶化能力。

研究人员强调，这一结果不能直接等同于聚变反应堆服役条件下的最终材料优劣排序。实际聚变磁体面对的是低温中子辐照，而本次实验采用的是室温电子辐照。尽管如此，在严格一致的实验条件下并列比较两种材料，有助于区分材料固有响应与实验条件差异造成的影响，也为后续辐照鉴定提供了更清晰的参考。

该研究认为，Nb3Al在测试条件下表现出的结构稳定性，使其值得继续开展聚变磁体应用评估;Bi-2212则需要进一步关注损伤积累、运行温度及可能的恢复策略。研究还指出，非晶化超导材料或可通过高温退火实现重结晶，但这一处理方式若用于大型磁体部件，在工程上存在难度。后续研究仍需在低温中子或重离子辐照条件下测试相关材料，并比较Nb3Al、Nb3Sn等A15超导体的损伤阈值，将微观结构演变与超导性能和工程可靠性进一步关联起来。