作為先進核反應堆（如聚變堆）中的候選結構材料，鐵在服役環境下會遭受高能粒子（如中子）的轟擊，從而產生大量離位損傷，包括空位和自間隙原子。這些離位缺陷以及相應的團簇使得材料性能降級甚至失效，制約著反應堆地安全穩定運行。前期的研究表明，納米結構材料，尤其是納米晶材料具備良好的抗輻照性能，這得益于此類材料中大量的晶界能夠捕獲輻照缺陷并促進其復合，從而降低材料基體中輻照損傷的累積。 

　　以往的多尺度模擬在揭示缺陷與界面相互作用的微觀機理時，往往只關注到基本的原子過程，如擴散、偏聚、復合等。然而，在實際的服役條件下，納米晶金屬往往需要承受一定劑量的累積輻照。如果僅僅將基本的原子過程參數化，然后傳遞到粗粒化模擬技術中（如實體動力學蒙特卡洛，object kinetic Monte Carlo, OKMC），會由于該類技術忽略了具體的原子結構信息，無法獲取離位損傷累積到一定程度后可能帶來的新的物理過程，從而使得較高輻照劑量下的微結構演化預測失效。鑒于此，科研人員開發了一種既能達到實驗劑量率和輻照劑量，又能根據劑量補充、校正已有原子過程的模擬技術，即所謂迭代的實體動力學蒙特卡洛模擬技術（iOKMC，圖1）。 

　　利用該技術，固體所科研人員對鐵晶界中輻照缺陷的累積機制進行了探究，重點關注不同輻照條件下納米晶鐵中離位損傷的累積和演化，尤其是低溫下晶界中的間隙加載及其引起的一系列晶界輻照功能圖譜的變化。研究發現：（1）在較高的輻照溫度或較低的劑量率條件下，晶界可有效地俘獲空位和自間隙原子并促進其復合，降低輻照缺陷在晶粒內部的累積，從而達到修復輻照損傷的效果（圖2）；（2）在較高的劑量率或較低的溫度下，隨著輻照地進行，空位滯留在晶粒內部，而間隙原子不斷在晶界累積（圖2）；（3）當間隙累積到一定濃度時，在晶界弛豫過程中，部分間隙消失并伴隨新的晶界結構相形成。隨著輻照劑量增加，間隙持續累積，伴隨著晶界的局部運動，其逐漸回復到接近初始的狀態（圖3）；（4）在間隙累積過程中，晶界的功能從捕獲空位到湮滅空位發生了交替演變（圖4）；（5）將上述新的原子過程重新參數化并納入到原有的OKMC模型中，發現晶界間隙濃度和晶界附近空位濃度出現了“增加-降低”交替變化的趨勢，這不同于原始的模擬結果（圖5）。該研究工作為探索實際累積輻照條件下輻照缺陷與晶界動態相互作用機理提供了跨尺度的圖像，為進一步基于晶界工程優化多晶材料的抗輻照損傷性能提供了機理參考。 

　　上述工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金以及合肥研究院院長基金的支持。 

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2022.154092