金离子辐照下316LN不锈钢的低肿胀异常：表面效应主导的辐照损伤机制研究

为解决金离子(Au2+)辐照评估材料抗辐照肿胀性能的争议，北京大学等机构研究人员通过3 MeV Au离子辐照316LN不锈钢（550℃、294 dpa），发现其体积肿胀率仅为0.28%（冷变形样品为0%）。研究表明，金离子因高原子序数、浅穿透深度（<200 nm）及强电子能量损失（Bethe公式计算），导致表面粒子堆积和异常低肿胀现象，提示其不适用于材料辐照肿胀评价。该成果为核设施材料筛选提供了关键方法学参考。

　　

在核能领域，材料在极端辐照环境下的性能退化一直是制约反应堆安全运行的核心难题。中子辐照虽能真实模拟反应堆工况，但存在实验周期长（数年）、放射性风险高、设施稀缺等瓶颈。为此，科学家们转向重离子辐照这一替代方案——尤其是金离子(Au²⁺)，因其能在数小时内实现数百dpa（displacements per atom，原子位移数）的超高剂量率，被广泛应用于材料抗辐照性能评估。然而，近年多项研究观察到反常现象：即便在易发生肿胀的温度区间（450-600℃），金离子辐照的304不锈钢、超晶格钢等材料竟呈现"零肿胀"现象。这究竟是材料本身的抗辐照突破，还是金离子特有的物理效应导致的假象？

为解答这一争议，北京大学联合国内外团队选择316LN不锈钢——这种已有丰富中子辐照数据的ITER级核材料作为研究对象。通过3 MeV Au²⁺离子辐照实验（550℃、峰值损伤294 dpa），结合电子背散射衍射(EBSD)、透射电镜(TEM)等技术，揭示了金离子辐照与中子辐照的本质差异。相关成果发表于《Applied Surface Science》。

关键技术包括：1）采用2×1.7 MV串列加速器进行扫描束(rastered beam)辐照以降低局部过热；2）通过Bethe公式计算金离子与靶原子的非弹性碰撞能量损失；3）对比分析冷轧(10% CW)与退火态样品的Kernel平均取向差(KAM)。实验样本由太原钢铁(集团)有限公司(TISCO)提供，经1050℃固溶处理及550℃应力退火预处理。

实验结果
Anomalous low-swelling after Au²⁺ irradiation
在传统易肿胀温度550℃下，金离子辐照的316LN仅产生0.28%体积肿胀，冷变形样品甚至为零。这与中子辐照数据形成鲜明对比：文献中同材料在相似温度下，50 dpa时肿胀率已达3-5%。通过SRIM软件模拟发现，金离子最大损伤深度仅90 nm，且200 nm内存在显著入射粒子堆积。

Surface-driven mechanisms
Bethe公式分析表明，金离子因高原子序数(Z=79)和大质量，与靶原子碰撞时产生极强的电子能量损失（约4.5 keV/nm），导致浅表层能量沉积集中。此外，TEM显示损伤区存在超高密度位错环（>10²³ m^-3），这种缺陷结构会捕获空位而抑制空洞形核。

结论与意义
研究证实金离子辐照的"低肿胀假象"源于其本征特性：1）纳米级浅损伤层缺乏中子辐照的体缺陷演化环境；2）强电子激发效应改变缺陷复合动力学；3）表面粒子堆积形成非平衡态微结构。这提示对于>100 dpa的高剂量研究，需采用>6-8 MeV离子能量（如Fe⁺）以获得无伪影的中段分析区。该工作不仅为核材料评价方法选择提供标准依据，更深化了对极端条件下辐照损伤界面效应的认知。