8月5日，美国密歇根大学工程学院科研人员在模拟聚变能极端环境的实验中，证明了一种旨在捕获有害氦气的新型先进钢材（RAFM钢）中的关键纳米粒子——碳化钛（TiC），在承受高剂量辐射后会溶解失效，导致材料发生膨胀。这一发现为未来聚变反应堆材料的优化设计指明了方向。
一、研究背景
聚变能被视为比现有核裂变更清洁、可持续的未来能源。其优势在于：
燃料丰富：
可利用海水中的氢同位素，而非有限的铀资源。
废物易处理
：
主要产生氦气和短寿命放射性废物。比裂变产生的长寿命放射性废物更容易处理。
本质安全：
事故发生时反应自动停止，无熔毁风险。
然而，实现聚变能的巨大挑战在于其需要面临的
极端复杂的环境
：反应核心温度高达1亿摄氏度，聚变堆结构材料（如RAFM钢）需承受约600℃的高温、强辐射以及聚变中子产生的大量氦气。氦气在材料内部积聚会导致膨胀
和变形
，威胁装置安全运行。
二、新型RAFM钢—CNA9
为应对挑战，橡树岭国家实验室（ORNL）开发了新一代低活化铁素体/马氏体钢（RAFM钢），名为“CNA9”（Castable Nanostructured Alloy #9）。其核心创新在于引入了数十亿个纳米级碳化钛（TiC）颗粒
。
该设计初衷是希望这些颗粒能有效
吸收辐照损伤
并
捕获
聚变产生的
氦原子
，将其“锁”在颗粒表面形成气泡，从而防止氦气在基体钢中扩散导致整体肿胀。
三、测试方法和结果
以往测试通常单独考察抗辐照或抗氦气性能。密歇根大学工程学院领衔的科研团队采用了更贴近真实聚变环境的“双离子束辐照”
技术进行测试：即在使用粒子加速器
同时
使用一束铁离子束（模拟中子撞击造成的辐照
损伤）和
一束氦离子束（引入氦气）轰击RAFM钢。
而在实验过程中，研究人员可以精细调整辐照损伤水平、氦浓度和温度（300-600°C），以更好地了解剂量对材料的影响。实验结果表明：
在约500°C时，RAFM钢的TiC颗粒确实能在其表面以气泡形式捕获部分氦气，且效果最佳。
当辐照损伤水平
较低（<15 dpa）且温度较高（500-600°C）
时，TiC颗粒表现稳定。
当辐照损伤达到
高水平（50-100 dpa）
时，无论温度如何，TiC颗粒
完全溶解
。
溶解的后果：失去TiC颗粒的捕获能力后，大量氦气在钢材基体中形成气泡，导致材料在最高辐照剂量下显著膨胀（约2%）。
这一结果超出了研究人员的预期，密歇根大学核工程与放射科学系教授
Kevin Field表示：“高辐照剂量（>15 dpa）的结果令人惊讶，因为我们预计在最高温度下评估碳化钛沉淀物仍然稳定，但显然情况并非如此”。这意味着当前CNA9在聚变堆长期运行（高累积剂量）的早期阶段就可能
丧失关键的抗膨胀能力
。
橡树岭国家实验室的研究人员Ying Yang指出，TiC与氦的优先结合证明了其在设计中的有益作用，而其在高辐照剂量下的溶解则为未来设计更稳定的TiC颗粒提供了关键指导。
四、改进措施
下一步，研究人员建议通过将碳化钛（TiC）沉淀物的密度提高1000倍来调整钢材，以更有效地防止膨胀，并以不同的速率进行更多的离子束测试，以更好地模拟聚变能环境。
据悉，这项开创性的系统研究由密歇根大学工程师领导，研究成果分三篇论文发表于《
Acta Materialia
》和《
Journal of Nuclear Materials
》
。实验工作在美国能源部聚变能源科学计划等资助下，于密歇根离子束实验室和密歇根材料表征中心完成。
参考资料：
- https://news.engin.umich.edu/2025/08/a-dual-ion-beam-tests-new-steel-under-fusion-energy-producing-conditions/