聚變堆超導帶材設計及其抗氦輻照損傷研究獲進展

　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員方前鋒課題組與美國麻省理工學院（MIT）核工系教授李巨合作，在聚變堆超導帶材的設計及其抗氦輻照損傷研究中取得進展。該研究將實驗設計與理論模擬相結合，驗證構造多級特征結構以實現高性能材料的有效策略，并利用特殊界面調控氦泡生長的動力學過程，使銅鈮復合材料具有優異的機械、超導和抗輻照性能，有望應用于核聚變領域。相關研究成果以Superconducting Cu/Nb nanolaminate by coded accumulative roll bonding and its helium damage characteristics為題，發表在Acta Materialia上。

　　鈮（Nb）基合金是一種應用于制備加速器及未來聚變堆的超導體材料。由于以超導帶材為形式制作的磁體線圈需要經歷繞制工藝，在服役過程中承受較大的洛倫茲力，且易在晶界/相界（GBs/PBs）中累積核反應產物氦（He）。因此，應用于聚變領域的結構功能材料需具備較高強度、較好塑性及優異的抗輻照損傷性能。研究人員采用改進的累積疊軋焊接技術（coded-ARB），通過“編碼”二元組分的尺度分布，制備出具有多級特征結構且滿足性能要求的鈮基納米疊層材料。

　　操縱微觀結構的特征尺度是一種用于優化材料性能的設計策略。研究發現，類似“條形碼”形貌的雙相分層結構可以有效調控箔材在軋制過程中的局部應力分布，將部分剪切力轉化為壓應力，延緩材料開裂，增加等效應變。其中，高密度納米級銅層抑制位錯運動，防止裂紋在鈮基體層間拓展，提高材料的強度和韌性，并增強鈮層的抗氧化能力。同時，通過控制加工過程中材料內部應力場的變化，構建不同的界面類型，不斷累積的失配位錯與界面發生相互作用，利用“位錯泵”效應加速銅與鈮原子之間的固溶，形成化學混合區域。隨著塑性應變的積累以及晶格缺陷密度的增大，界面演變為三維尺度的非晶無序結構。

　　研究人員通過氦離子輻照實驗及分子動力學模擬分析得出，由于氦在界面的擴散系數較高，氦間隙更易在有序的二維（2D）相界面聚集為氦泡，降低材料的力學性能。而化學混合和非晶結構構建的三維界面（3D）因含有較多的自由空間，可提供氦泡形核位點，有效抑制氦團簇長大，使納米多層復合材料具有更好的抗氦輻照能力。材料的超導性能研究表明，軋制態的多尺度銅鈮疊層材料具有與純鈮相似的超導電流負載能力，且化學摻雜的界面結構增強對磁通線的釘扎效應，在較高磁場下更為明顯，而退火態的銅鈮材料的超導性則因層狀結構失穩和界面散射增加而被抑制。

　　研究工作得到國家自然科學基金、安徽省自然科學基金、美國能源部等的支持。

圖1.鈮基納米疊層材料中的多級特征結構——(a,b)“條形碼”狀分布的二元疊層結構，(c)化學混合態與(d)非晶態Cu/Nb界面