Фундаментальное исследование решает прикладную проблему, стоявшую почти полвека: количественное прогнозирование радиационного распухания под облучением нейтронами на основе ионного облучения

Способность передовых ядерных энергосистем к долгосрочной безопасной эксплуатации зависит от устойчивости конструкционных материалов к радиационным повреждениям, вызываемым нейтронами. Нейтроны создают в материале множество дефектов атомного масштаба, которые постепенно агрегируются в нанополости, что в конечном итоге приводит к распуханию материала, потере размерной стабильности и деградации свойств. Однако получение данных по облучению нейтронами с высокой дозой часто требует от нескольких лет до десяти и более лет, отличается высокой стоимостью, а образцы после облучения обладают радиоактивностью; напротив, ионное облучение позволяет смоделировать накопленные за многие годы повреждения в течение нескольких дней, поэтому оно широко используется (около 95% данных экспериментов по облучению в существующей литературе получены с помощью ионного облучения). Но мощность дозы ионного облучения обычно на 3—4 порядка выше, чем у нейтронного, и результаты этих двух методов трудно напрямую сопоставить. Недавно исследовательская группа Ван Чэньсюя и Ван Юйгана из Института физики тяжелых ионов, Школы физики Пекинского университета, а также Национальной ключевой лаборатории ядерной физики и ядерных технологий, совместно с исследователями из Университета Теннесси и других организаций, на основе моделирования кластерной динамики, теоретических выводов и экспериментов по ионному облучению установила при фиксированной температуре количественную зависимость между распуханием материала и дозой облучения, а также мощностью дозы, что позволило прогнозировать нейтронное распухание с помощью быстрого ионного облучения и предоставило новый инструмент для быстрого отбора и оценки срока службы ядерных материалов.

Рис. 1 Ионное облучение позволяет получить данные с высокой дозой за несколько дней, тогда как нейтронное облучение часто требует многих лет; в данном исследовании установлен путь количественного прогнозирования между ними.

Дозу облучения можно представить как “общее количество осадков” за период дождя, а мощность дозы соответствует “интенсивности осадков”. При одинаковом общем количестве осадков мелкий дождь, идущий десять дней, и ливень, выпавший за один день, по-разному воздействуют на поверхность земли. То же самое происходит и в материалах: высокая мощность дозы приводит к одновременному существованию большего числа дефектов, изменяя конкурирующие процессы рекомбинации, агрегации и миграции дефектов, и одинаковая доза не обязательно приводит к одинаковой степени распухания. В 1978 году Мансур предложил метод эквивалентности температурного сдвига (Temperature-shift), компенсирующий разницу в мощности дозы путем повышения температуры ионного облучения, однако за 48 лет теоретического прорыва так и не произошло, и этот метод применим в основном к относительно низким дозам, а при высоких дозах его прогнозы ненадежны. Поэтому преодоление разрыва в мощности дозы и создание количественной эквивалентной модели ионного и нейтронного облучения является ключом к надежной оценке радиационной стойкости ядерных материалов, а также научной проблемой, стоящей перед этой областью почти полвека.

Рис. 2 Схематическое изображение эффекта мощности дозы: высокая мощность дозы приводит к одновременному существованию большего числа дефектов и способствует зарождению дефектов, таких как полости и дислокационные петли.

Исходя из физических процессов зарождения и роста полостей, исследовательская группа предложила инновационный иной путь исследования: вместо попыток компенсировать разницу в мощности дозы путем регулировки температуры, при фиксированной температуре, на основе собственного радиационного отклика материала, непосредственно установить количественную зависимость между распуханием полостей и дозой облучения, а также мощностью дозы. Эта физическая основа способна описать нелинейное поведение распухания различных материалов от стадии инкубации и быстрого роста до стадии высоких доз и была подтверждена большим объемом экспериментальных данных для таких материалов, как аустенитные нержавеющие стали и ферритно-мартенситные стали. Дальнейшие эксперименты по ионному облучению показали, что, используя только данные ионного облучения при одной и той же температуре с различными дозами и мощностями доз для определения параметров модели, можно успешно прогнозировать результаты нейтронного облучения в быстрых реакторах.

Рис. 3 Результаты проверки модели при экстраполяции на высокие дозы, пересчете эквивалентных доз и прогнозировании ионно-нейтронного распухания.

Ключевой прорыв этой работы заключается в том, что она одновременно решает две ключевые проблемы прогнозирования радиационного распухания: с одной стороны, позволяет прогнозировать нейтронное распухание при высоких дозах на основе данных нейтронного облучения при низких дозах; с другой стороны, позволяет прогнозировать нейтронное распухание при низкой мощности дозы, отличающейся на несколько порядков, на основе распухания при ионном облучении с высокой мощностью дозы. Кроме того, поскольку этот метод успешно разделяет параметры материала и параметры облучения, он может применяться к сложным сплавам, предоставляя количественный инструмент для быстрого отбора, долгосрочной оценки характеристик и проектирования безопасности конструкционных ядерных материалов, что особенно важно для разработки материалов будущих термоядерных реакторов, где отсутствуют условия термоядерного нейтронного облучения.

Данное исследование под названием “Bridging Ion and Neutron Irradiation: A Predictive Framework for Swelling in Structural Alloys” было опубликовано в июле 2026 года в журнале PRX Energy. Дэн Хуан, аспирант 2023 года набора Института физики тяжелых ионов Школы физики Пекинского университета, Гэ Вэй, доктор 2022 года выпуска, и Ло Фэнпин, доктор 2025 года выпуска, являются соавторами статьи, а Ван Чэньсюй и Ван Юйган — соавторами-корреспондентами. Исследование получило поддержку Национального фонда естественных наук Китая и Национальной специальной программы исследований в области управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием.