提速1000倍！聚变堆材料测试迎来革命性新方法

密歇根大学

一

如何从“十年”缩短到“数天”？

在聚变装置中，核心材料需要承受高达200 dpa的极端辐射损伤。dpa（displacements per atom，即每个原子的位移次数）是衡量材料辐照损伤程度的核心指标之一，反映材料内部原子被高能粒子撞击后偏离其晶格位置的累计频率。这一指标可用于量化损伤程度、预测材料寿命，并对比不同辐照环境下的材料性能。随着dpa数值不断累积，材料内部将发生一系列微观结构演化，最终导致宏观性能退化。

目前，传统的材料辐照检测需将样品置于测试反应堆中，接受数年甚至更长时间的真实中子辐照，才能达到目标dpa水平。而QUICC新方法则创新性地采用粒子加速器产生可控的重离子束轰击样品。由于离子与材料的相互作用截面远大于中子，可在数天至数周内，在材料表层累积起相当于反应堆内长期运行才能达到的高dpa损伤，而成本仅为其千分之一，极大地加速了材料达到目标 dpa 的进程。

二

从可靠性验证到聚变环境模拟

离子辐照能否真实模拟中子造成的复杂损伤，是科学界过去35年来持续探讨的焦点问题。QUICC团队的研究表明，在一定条件下两者具有良好的相关性。“QUICC方法论证明，在两种不同的合金上，离子辐照引起的材料关键变化与反应堆辐照的结果相似，”密歇根大学核工程与放射科学名誉教授Gary Was表示，“这意味着离子辐照有潜力用于预测材料在反应堆中的某些行为。”

为了更真实地模拟实际环境，团队开发了多项关键技术：通过增加氦离子束（模拟裂变）或氦+氢离子束（模拟聚变），复现材料内部因核反应产生的气体积累效应；同时设计了专用靶室，可以在离子轰击过程中将样品浸泡在高温、高压水中，模拟水冷反应堆的芯部环境。

针对聚变装置内的极端环境，研究团队在重离子和氦离子基础上增加了氢离子束，以三束配置模拟聚变堆部件将同时承受的辐照损伤与气体积累效应。这一技术路径为材料筛选提供了可能：在数周内评估不同合金在模拟聚变环境下的性能变化，为后续研究提供参考；同时可在投入长周期的反应堆测试前，对候选材料的辐照损伤机制进行低成本、高效率的预验证。

该研究已经获得了美国能源部、美国电力研究院（EPRI）、橡树岭国家实验室以及Framatome、Rolls-Royce等核工业巨头的支持，核心团队汇聚了密歇根大学、宾夕法尼亚州立大学等顶尖科研力量。目前，QUICC方法正在向ASTM标准化迈进。

三

中国核材料离子束测试进展如何？

早在2012年，苏州热工研究院有限公司就开始牵头研发辐照腐蚀耦合失效试验装置。其开发的六靶位离子辐照靶室，已经实现了辐照-温度-应力三因素耦合试验，将多因素耦合维度从2个提升至3个；配套的高通量应力腐蚀试验平台通过四轴力学平行加载，可同步测试48个样品，大幅提升了测试效率，为我国核用不锈钢辐照腐蚀环境耦合失效评估提供技术支撑。

中国原子能科学研究院的多粒子可变能量回旋加速器于2021年底完成首次出束，设计指标达国际先进水平。该装置可在多种高电荷态离子束之间快速切换，2024年已成功开展辐射效应实验，稳定供束约100小时。基于加速器、反应堆、钴源等装置，研究院已建立起完整的地面模拟辐照试验技术体系。

2025年5月，哈尔滨工程大学携手中国原子能科学研究院研制的我国首台套商品化国产串列加速器正式投入运行。该装置具备“双束辐照、高温、腐蚀”多物理场耦合条件下的材料辐照研究能力，可实现双束同时注入，应用于反应堆材料辐照效应评估等领域。