新型高熵合金突破核聚变材料缺陷控制难题：正电子谱学揭示超大原子的抗辐照机制

未来清洁能源之星——核聚变反应堆的核心部件“偏滤器”，长期面临极端环境挑战：钨（W）装甲需承受1200°C高温，而铜合金（CuCrZr）冷却系统仅能在350°C以下工作。西班牙卡洛斯三世大学团队设计出新型铁铬钒铜基高熵合金（HEAs），通过添加钛（Ti）、钽（Ta）、钨（W）、钼（Mo）等“超大原子”，试图解决两者间的巨大温度梯度与热膨胀失配问题。这类材料需兼具抗中子辐照损伤、耐高温循环和微观结构稳定性。

看不见的微观缺陷威胁

材料在制造和辐照中产生的原子级缺陷（如空位、空洞）会引发“肿胀效应”，导致部件变形失效。传统检测手段难以实时追踪高温下纳米级缺陷的演化规律，尤其对多组分高熵合金的复杂缺陷行为束手无策。如何精准捕捉材料内部缺陷动态，成为核聚变材料研发的关键瓶颈。

正电子探针解码缺陷演化

研究团队采用正电子湮没谱学技术这一“原子级显微镜”，对四种合金（Cu₅Cr₃₅Fe₃₅V₂₀X₅，X=Ti/Ta/W/Mo）展开原位监测： 

1. 正电子湮没寿命测量（PALS）

获得关键数据：含钨/钼合金在铸态下存在300-480皮秒的长寿命缺陷（空位团簇），而钛/钽合金仅检测到133-158皮秒的短寿命单空位。

揭示规律：钛/钽原子显著抑制空位团簇形成，使缺陷尺寸缩小40%以上。

2. 符合多普勒展宽谱（CDB）

获得关键数据：400-600°C退火时，所有合金的伽马射线能量分布曲线向纯铜特征偏移。

揭示机制：铜原子在空位协助下迁移析出，形成纳米颗粒，经700°C处理后的铜颗粒直径增至110纳米。

三阶段缺陷动态全捕获

通过等时退火实验（室温至900°C），正电子技术首次清晰捕获高熵合金缺陷演化的三个阶段：

钛/钽原子通过提升空位-间隙原子复合率，将空洞生长抑制率提高至钨/钼合金的3倍以上。 核聚变材料的革命性突破 1. 抗辐照装甲：含钛/钽合金的空洞抑制能力，可延长偏滤器热障层寿命10倍以上； 2. 低活化设计：铬/铁/钒元素组合满足核废料低放射性要求；  3. 跨温区适配：材料在200-900°C全程保持结构稳定。  研究为开发新一代抗肿胀核聚变材料提供理论基石，已被纳入欧盟DEMO示范堆候选材料库。

• 上一个：

  新型铜基硫族化合物半导体缺陷研究取得突破：为高性能光电子器件铺路

• 下一个：

  量子点尺寸如何影响太阳能材料:正电子湮没技术揭示表面缺陷奥秘