在全球“碳中和”目标与清洁能源转型的双重驱动下，核聚变能源因“零碳排放、燃料充足、无长寿命放射性废料”的独特优势，成为解决人类未来能源危机的战略方向。然而，核聚变堆内极端的辐照环境——高温、高能中子轰击、氦（He）/氢（H）气体嬗变——对面向等离子体材料（PFMs）的性能提出了苛刻要求。作为当前PFMs的“主力候选”，金属钨（W）虽具备高熔点、优异热导性和低侵蚀率等优势，却长期受困于氦泡形成与辐照缺陷累积导致的结构脆化问题。
近日，由波兰国家核研究中心Amin Esfandiarpour团队联合芬兰阿尔托大学完成的研究，在《Nature Scientific Reports》发表了一项突破性成果：通过经典分子动力学（MD）模拟，系统对比了纯钨与等摩尔WTaCrV高熵合金在含氦（0%、1%、2%）重叠位移级联环境下的缺陷演化规律，首次揭示了WTaCrV在复杂辐照条件下的抗辐射机制，为核聚变堆PFMs的优化设计提供了关键理论支撑。
一、研究背景：PFMs的困境与WTaCrV的潜力
1. 核聚变堆对PFMs的严苛要求
PFMs需直面三重极端考验：高能中子轰击引发原子位移级联，形成弗伦克尔对（FPs）、位错环等缺陷；氦离子注入与嬗变反应产生的氦原子易聚集成泡，导致材料肿胀；瞬时热负荷与周期性热冲击叠加辐照缺陷，加速材料失效。
2.钨的局限与高熵合金的突破
纯钨因熔点（3422℃）、热导率（173 W/(m・K)）优势成为ITER偏滤器材料，但存在明显短板：氦含量超0.3%时，500℃以上即形成大尺寸氦泡；中子辐照后位错环与间隙网络导致硬度升、塑性降。
高熵合金（HEAs）凭借“高熵效应、缓慢扩散效应、晶格畸变效应”展现潜力，其中WTaCrV不含钼（Mo）、铌（Nb）等长寿命活化元素（退役放射性风险低），前期实验显示其800℃、8dpa重离子辐照下无位错环形成。但此前缺乏“预存氦+中子辐照” 复合环境（接近真实堆工况）的性能研究，此正是本研究核心目标。
二、实验设计：模拟真实辐照环境
1.核心参数设定
材料体系：纯钨（体心立方）与等摩尔WTaCrV（W:Ta:Cr:V=1:1:1:1，体心立方）；
氦含量梯度：0%、1%、2%（原子占比，覆盖堆内氦累积范围）；
辐照剂量：550次位移级联模拟达0.2dpa（NRT公式计算，对应堆运行初期损伤）；
温度：300K（模拟PFMs非稳态低温工况）。
2. 模拟工具与势函数
计算平台：LAMMPS用于动力学模拟，OVITO结合位错提取算法（DXA）分析缺陷；
势函数组合：金属-金属用DFT验证的EAM势，氦-氦用Becker对势，氦-金属用JN势与ZBL势衔接，确保短程相互作用计算精准。
3. 缺陷表征指标
聚焦弗伦克尔对（FPs）浓度、间隙原子团簇尺寸/分布、位错密度/类型、氦泡（VₙHeₘ）尺寸/稳定性，量化对比两种材料抗辐射性能。
三、核心发现：两种材料的缺陷演化差异
1. 无预存氦（0% He）：WTaCrV控缺陷能力凸显
FPs浓度：WTaCrV（约0.35%）高于纯钨（约0.25%），因高熵合金晶格畸变降低原子位移阈值，初期损伤总量高；间隙团簇与位错：纯dpa时，最大间隙团簇尺寸为WTaCrV的26倍，且出现1/2<111> 位错环；WTaCrV无大于10原子的间隙团簇，无位错环；
空位团簇：均以单空位或2-4原子小团簇为主，WTaCrV大空位团簇（>20原子）占比略高。
2. 低预存氦（1% He）：钨缺陷加速，WTaCrV稳定
FPs浓度：纯钨0.2dpa时较无氦提升5倍，WTaCrV仅提升1.5倍；
位错：纯钨1/2<111> 位错环密度增30%，出现<100>位错环；WTaCrV仍无位错环；
氦泡：WTaCrV氦泡呈球形、分布均匀，周围仅单氦原子或小团簇；纯钨氦泡尺寸不均、形态不规则，与位错环相互作用明显。
3. 高预存氦（2% He）：钨缺陷失控，WTaCrV氦泡稳定
纯钨极端缺陷：0.2dpa时形成含12869原子的“多边形间隙网络”（十字形），由位错环“筏化”形成（氦原子钉扎位错，引导间隙团簇排列）；
WTaCrV氦泡：无位错环，但氦泡通过“空位捕获氦原子”“小泡合并”生长；大泡（如V₃₂He₅₃）在位移级联中稳定，无破裂收缩；
空位分布：WTaCrV多数空位集中于21-50原子团簇，纯钨空位团簇尺寸分布更分散。
四、抗辐射机制：WTaCrV的“原子密码”
1.间隙原子扩散慢，抑制位错环形成
高熵合金晶格畸变形成化学势梯度，使WTaCrV中间隙原子扩散激活能（1.2-1.5 eV）远高于纯钨（0.8-1.0 eV），间隙原子难长距离迁移聚集，从根源避免位错环。
2.空位-间隙复合快，减少缺陷累积
WTaCrV晶格畸变增加空位与间隙原子相遇概率，复合概率比纯钨高40%，且不受氦原子影响，大部分初期缺陷“自我修复”，不累积为不可逆缺陷。
3.氦的低扩散+高捕获，调控氦泡
低扩散：1800K时，WTaCrV中氦原子4ns轨迹长度仅为纯钨的1/3，难自由迁移形成大泡；
高捕获：VₙHeₘ泡（n>2）中，WTaCrV氦-空位结合能（1-2eV）高于纯钨（0.5-1eV），泡体稳定；无预存空位时，WTaCrV 1800K下无氦团簇，纯钨900K以上即出现。
五、工程启示与展望
1.工程价值：低活化+抗辐照的双优势
WTaCrV无长寿命活化元素，契合堆退役安全需求，是“退役友好型” PFMs候选；但高氦含量下氦泡生长需优化，可通过纳米晶化（增加泡形核位点）、成分微调（加钛/锆提升氦结合能）控制泡尺寸。
2.研究局限与未来方向
高温性能未知：当前仅300K，需开展800-1200K（堆稳态温度）模拟与实验，验证间隙扩散、氦泡稳定性变化；
长期疲劳待验证：堆运行数十年，需测试WTaCrV高剂量（>1dpa）下氦泡剥落、晶界开裂风险；
工业制备挑战：四种元素熔点差异大（W:3422℃，Ta:3017℃，Cr:1907℃，V:1910℃），易成分偏析，需开发激光增材、热等静压等工艺保证均匀性。
本研究首次揭示WTaCrV在复合辐照环境下的抗辐射机制，打破纯钨不可替代的认知。随着高温模拟、长期实验与工业制备技术突破，WTaCrV有望成为衔接 ITER与商用堆的关键PFMs，为核聚变能源商业化奠定材料基础。
参考链接：
- https://www.nature.com/articles/s41598-025-19080-w