隨著煤和石油等不可再生能源的減少，核能已經(jīng)成為人類的目標能源。為了更安全地應用核能，我們必須要找到可靠的抗輻射材料。近期，密歇根州立大學的研究人員研發(fā)了一種包含三種或三種以上元素的合金，具有超強的抗輻射能力。

    在核工業(yè)領域應用的金屬材料面臨的最大挑戰(zhàn)就是高溫下的抗輻射能力，一般的核燃料金屬保護層在高溫下都會膨脹，其體積甚至會變成原來的二倍。這種膨脹不僅會影響整體結(jié)構(gòu)的其他部分，還會使其強度降低。

    密歇根州立大學核工程與放射科學的Lumin Wang 教授表示：“當輻射粒子進入金屬材料中的時候，原有晶格結(jié)構(gòu)中的原子被‘打’出來，取代原子在金屬結(jié)構(gòu)中快速移動。留下來的空位卻不能移動，如果同一區(qū)域中有多個原子被取代，這些空位就會聚合成為大的孔洞，從而影響材料性能。”

    為了控制這些空洞的形成以及隨之而來的金屬膨脹，目前大多數(shù)的研究人員都把目標放在如何創(chuàng)造納米級的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其在一定程度上吸收缺陷，從而保護原材料的完整性。但是Lumin Wang教授的研究團隊卻選擇了最傳統(tǒng)的方法，創(chuàng)造出沒有晶格缺陷的合金。

    Lumin Wang教授和他的同事們制造了一系列的鎳基合金試樣。這些合金具有很高的強度和延展性，是由相同含量的鎳、鈷、鐵或者鎳、鈷、鐵、鉻、錳組成的高密度固溶體。為了檢測其抗輻射能力，他們的合作者田納西州大學的研究人員將這些試樣暴露在核輻射中，其輻射水平相當于在一個核反應堆中心積累了幾年甚至幾十年。值得注意的是，該項輻射實驗是在500℃下完成的，也就是傳統(tǒng)的鎳基合金發(fā)生膨脹的溫度。隨后，密歇根州立大學材料性能研究中心的研究人員用透射電鏡對經(jīng)過輻射的樣品進行分析，他們發(fā)現(xiàn)，該合金的抗輻射能力比傳統(tǒng)純鎳金屬的抗輻射能力高了100多倍。

    為了進一步解釋該合金的抗輻射特性，核工程與放射科學的理論專家Fei Gao教授在原子水平進行了計算機仿真，發(fā)現(xiàn)其抗輻射能力歸因于被取代原子在材料中的運動形式。他解釋道：“簡單地講，在合金中原子大小不同，相當于形成了一些‘隆起’或‘凹坑’，取代原子就會因為受到碰撞而減速。因此取代原子和晶格中的空位挨著很近，它們很容易結(jié)合到一起，從而使空位得到修復，不能形成大的孔洞。”

    目前，該項研究成果已經(jīng)發(fā)表在Nature Communications期刊。