中子辐射与氢环境协同暴露下钨中氢滞留效应的创新研究

为解决聚变堆中钨材料在同时承受中子辐照和氢同位素轰击时的氢滞留机制难题，美国橡树岭国家实验室团队开发了基于钒氢化物的原位辐照胶囊技术，首次实现中子辐照与氢环境的同步暴露。研究发现辐照钨在470°C和700°C出现氢解吸峰的同时，新增800°C特征峰，揭示了辐照缺陷与氢的协同作用机制，为聚变堆等离子体材料安全评估提供了关键数据。

　　

在全球能源需求激增的背景下，核聚变能因其清洁高效的特性成为研究热点。作为聚变堆第一壁材料的钨(W)，面临着极端环境的严苛挑战——不仅要承受高达14.1 MeV的中子轰击，还需直面氢同位素等离子体的持续侵蚀。这种双重作用会引发材料微观结构损伤与氢滞留的复杂交互，尤其放射性氚(T)的滞留量直接关系到反应堆安全运行。然而传统研究采用"先辐照后充氢"的序贯方法，无法真实模拟聚变堆中辐照损伤与氢渗透同步发生的动态过程，成为制约材料性能评估的关键瓶颈。

美国橡树岭国家实验室联合日本东北大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表突破性成果。他们创新性地设计了一种基于钒氢化物(VH_x)的辐照胶囊，利用高通量同位素反应堆(HFIR)首次实现了材料在中子辐照与氢环境下的同步暴露。该研究通过热脱附光谱(TDS)等技术，系统分析了钨在中子辐照损伤(0.3 dpa)与氢压(14.2 Torr)协同作用下的氢滞留行为。

关键技术包括：(1)采用钒氢化物分解原位产氢技术，避免高压氢气操作风险；(2)设置对照胶囊(含纯钒)与氢化物胶囊(含VH_x)的对比实验；(3)通过TDS分析氢解吸谱，结合X射线衍射(XRD)表征材料相变；(4)利用透射电镜(TEM)观察辐照缺陷。样品队列包含钨、钨铼合金(W-5%Re)、石墨等聚变堆候选材料。

【材料与方法】
研究团队在HFIR反应堆中并行辐照了两个胶囊：氢化物胶囊装载VH_x作为氢源，参考胶囊仅含金属钒。通过350-800°C的阶梯升温TDS测试，定量分析氢解吸动力学。XRD确认VH_x在辐照后转变为α-V相，证实氢的有效释放。

【辐照钒与氢化钒表征】
TDS数据显示参考胶囊中的纯钒仅检测到微量氢解吸(350-650°C)，而氢化物胶囊的钒样品出现显著氢释放峰，证明胶囊成功维持了氢环境。VH_x样品氢含量降低58%，与理论预测相符。

【钨中氢滞留行为】
未辐照钨样品显示470°C和700°C两个解吸峰，对应晶界和空位捕获。辐照钨新增800°C高温峰，表明中子辐照产生了更稳定的捕获位点(如位错环)。同步暴露组的氢滞留量显著高于序贯处理组，证实动态缺陷-氢交互的增强效应。

【讨论】
该研究首次实验验证了中子辐照与氢暴露的协同作用会导致：(1)氢促进空位形成，降低空位生成能；(2)辐照缺陷改变氢扩散路径；(3)动态损伤环境形成新型捕获位点。这种协同效应在传统序贯实验中无法观测，对准确预测聚变堆中氚库存至关重要。

这项研究开创了聚变材料多场耦合实验的新范式，其创新的胶囊设计为后续研究提供了安全可靠的技术平台。发现的高温氢捕获机制为理解辐照缺陷演化与氢滞留的关联性提供了直接证据，将推动建立更精确的氢滞留预测模型。研究结果对ITER(国际热核聚变实验堆)等装置的氚安全管理具有重要指导价值，也为开发抗氢损伤的新型钨合金指明了方向。