先进核能系统的安全性、经济性和服役寿命，很大程度上取决于反应堆结构材料能否承受长期、强烈的中子辐照。中子向晶格原子传递能量，产生初级反冲原子并触发位移级联，形成空位和自间隙原子等离位缺陷。这些缺陷不断迁移、聚集，逐渐形成纳米尺度空腔。大量空腔持续生长，最终导致材料体积肿胀、尺寸失稳和性能退化。

然而，直接在真实的反应堆中获得高剂量辐照数据，往往需要多年甚至十余年，实验成本高、周期长，辐照后的样品还具有较强放射性，是核能发展中最大的痛点与难点。因此，如何利用较易获得的低剂量中子辐照数据，可靠预测材料在高剂量下的辐照行为，是反应堆寿命评价中的重大需求。

另一方面，相比之下中子辐照，利用加速器进行离子辐照可在数天内累积很高的损伤剂量，因而常用于研究辐照损伤机理及效应。以100 dpa（平均原子移位次数，表示材料损伤程度）为例，离子辐照可在数天内完成，而中子辐照可能需要约十年。因此，现有辐照研究文献中约95%的实验采用离子辐照，真正依托反应堆中子辐照获得的数据只占很小一部分。

图1  离子辐照与中子辐照在实验时间和成本上的数量级差异，以及本研究提出的定量预测路径。

离子辐照虽然大幅缩短了实验周期，却带来了新的问题：其损伤剂量率，即单位时间内损伤的累积速率，通常比中子辐照高3—4个数量级。为便于理解，可以将损伤剂量和剂量率类比为一场雨的“总雨量”和“降雨强度”：同样的总雨量，细雨持续十天与暴雨集中一天，对地面的影响并不相同。材料中也是如此，不同剂量率会改变瞬时点缺陷浓度，以及缺陷复合、团簇形核和可移动缺陷向各类缺陷汇迁移的竞争过程，相同总剂量并不必然产生相同的缺陷结构和肿胀水平。大量离子辐照研究正是受限于这道三至四个数量级的剂量率鸿沟，难以从实验室中的机理研究进一步走向反应堆条件下的定量预测。如何建立具有物理基础的离子—中子定量等效模型，是实现核能材料抗辐照性能可靠评价的关键，也是核能材料领域持续近半个世纪的研究难题。

1978年，Mansur提出了温度平移（Temperature-shift）等效方法，其核心思想是通过提高离子辐照温度，以调整缺陷扩散、复合及各类团簇热分解的相对速率，尽可能抵消高剂量率带来的影响。该思路奠定了离子—中子关联研究的重要基础，但48年来一直没有理论上的突破。美国密西根大学Gary Was团队在2 dpa以下应用“温度平移”成功等效质子与中子辐照效应。然而这一方法在高剂量辐照下失效。

近日，6163银河线路检测中心重离子物理研究所、核物理与核技术全国重点实验室王晨旭、王宇钢团队联合美国田纳西大学和香港城市大学研究人员，创新性地提出了一条不同的研究路径：不再首先追问“离子辐照实验应升高多少温度”，而是在固定温度下，基于材料自身的辐照响应，直接建立空腔肿胀与辐照剂量、剂量率之间的定量关系。研究团队结合团簇动力学模拟、速率方程理论推导、大量文献数据与离子辐照实验，构建了一个同时描述剂量效应和剂量率效应的预测框架。

图2  剂量率效应示意图。高剂量率使更多移动缺陷同时存在，促进空腔和位错环等辐照诱导缺陷形核。

基于模拟得到的空腔演化规律，团队对速率方程组进行了有物理依据的约化，建立了一套只包含少量参数的肿胀关系。首次得到了辐照肿胀与辐照剂量的完整关系，该关系不仅考虑肿胀增长速度，还显式描述材料在空腔大量长大前经历的“孕育期”。在越过孕育剂量后，肿胀与“实际剂量减去孕育剂量”的1.5次幂相关；而增长系数和孕育剂量都会随剂量率系统变化。

研究人员利用大量公开实验数据检验这一关系，覆盖奥氏体不锈钢、铁素体/马氏体钢等主要材料，以及中子和重离子辐照、不同剂量与不同剂量率条件。结果表明，同一种数学形式能够描述不同材料中肿胀从孕育、快速增长到高剂量阶段的非线性演化，并捕捉剂量率变化带来的系统差异。模型参数由具体材料和温度决定，而基本物理结构保持一致。进一步地，研究团队在6163银河线路检测中心开展离子辐照实验，并系统改变辐照剂量和剂量率，使用离子辐照数据拟合出模型参数，成功预测同一温度下BOR-60快堆中子辐照的肿胀结果。

这项工作的关键突破在于，它同时解决了辐照肿胀预测中的两个关键问题：一方面，能从低剂量的中子辐照数据预测高剂量中子辐照；另一方面，能够通过高剂量率的离子辐照肿胀预测相差数个数量级的低剂量率的中子辐照。此外，由于该方法成功分离了材料参数和辐照参数，可以应用于复杂合金，因此具有很好的实际应用价值。

图3  模型在高剂量外推、等效剂量换算和离子—中子肿胀预测中的验证结果。

基于这一理论框架，研究人员不但可以利用相对快速的离子辐照实验，定量预测难以直接获得的高剂量、低剂量率中子辐照结果，显著缩短材料评价周期、降低实验成本以及样品活化和辐射防护负担，为先进核能系统堆内结构材料的快速筛选、长期性能评价和安全设计提供新的定量工具，而且对于目前尤其缺乏聚变中子辐照条件的材料研发，这一研究思路具有更为重要的应用价值。

研究成果以“Bridging Ion and Neutron Irradiation: A Predictive Framework for Swelling in Structural Alloys”为题，于2026年7月7日发表于《PRX Energy》。6163银河线路检测中心重离子物理研究所2023级博士生陈登煌、2022届博士葛伟、2025届博士罗冯平为论文共同第一作者，王晨旭、王宇钢为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金（12192280、12422514、11935004、12275009）和国家磁约束核聚变能发展研究专项（2022YFE03110000）的支持，计算工作得到6163银河线路检测中心生命科学中心高性能计算平台的支持。

论文链接

https://doi.org/10.1103/fsh5-qg22