核聚变被视为人类的终极能源。实现可控核聚变的关键挑战之一在于解决“关键材料问题”。作为聚变堆面向等离子体部件的首选材料，金属钨将在高温条件下遭受到高能中子的轰击，导致材料内部产生大量的离位损伤缺陷，进而严重削弱其服役性能，最终大幅降低其服役寿命。近日，北京大学物理学院技术物理系付恩刚教授课题组与合作者提出的全面建立钨中离位损伤回复与温度之间的相关性对于理解材料性能退化至关重要。这项研究的发现将为开展聚变堆面向等离子体部件中离位损伤的热修复提供了理论支撑与科学指导。相关科研成果以“损伤回复阶段的再审视：重离子辐照钨中非饱和与饱和离位损伤的热演化”(Damage recovery stages revisited: thermal evolution of non-saturated and saturated displacement damage in heavy-ion irradiated tungsten)为题在线发表于金属材料领域权威期刊Acta Materialia。

在核材料领域，一个长期关注的问题是不同初始缺陷浓度(在损伤饱和极限以下和以上)对离位损伤回复的影响。在本工作中，我们以金属钨为范例，系统研究了“非饱和损伤”与“饱和损伤”钨中离位损伤回复的温度依赖性。通过结合透射电镜与多普勒展宽正电子湮没谱表征方法，提供了宽温区内离位损伤缺陷热演化的物理图像(见图1与图2)。研究结果表明，钨中不同的初始缺陷浓度导致离位损伤回复存在明显差异，但对离位损伤缺陷演化的温度依赖性没有显著影响。在“非饱和损伤”和“饱和损伤”钨中，温和的与剧烈的离位损伤回复分别发生在973 K以下与1123 K以上。最值得注意的是，在473 K退火后，两类样品中均观察到纳米尺寸空洞。在1873 K退火后，“非饱和损伤”钨中离位损伤缺陷已完全回复，而“饱和损伤”钨中仍存在一些位错与空洞。我们推测“饱和损伤”钨中离位损伤的完全回复温度约为2000 K。综上，离位损伤回复阶段的再审视充分表明了涵盖非饱和与饱和缺陷浓度情景的重要性。因此，我们对重离子辐照钨中离位损伤的回复阶段及其所对应的温度区间进行了再定义，包括阶段I(20 K–室温)、阶段II(室温–653 K)、阶段III(653–1123 K)和阶段IV(1123–2000 K)。

图1. “非饱和损伤”和“饱和损伤”钨中离位损伤缺陷热演化的示意图及两个关键温度点所对应的透射电镜图像

图2. “非饱和损伤”和“饱和损伤”钨的多普勒展宽正电子湮没谱结果：归一化后的(a)S与(b)W参数

北京大学物理学院“博雅计划”博士后王诗维为论文第一作者;北京大学物理学院付恩刚教授、北京航空航天大学物理学院袁悦教授、北京科技大学材料科学与工程学院易晓鸥副教授为共同通讯作者;其他主要合作者包括北京航空航天大学物理学院吕广宏教授、中国科学院高能物理研究所曹兴忠研究员、北京工业大学固体微结构与性能研究所张晓娜副研究员等。

该研究工作得到了国家自然科学基金、国家磁约束核聚变能发展研究专项、北京大学核物理与核技术国家重点实验室、北京大学核技术应用实验室、北京航空航天大学先进核能材料与物理北京市重点实验室的大力支持。