2025年11月14日，上海交通大学巴黎卓越工程师学院副教授陈良在深圳核博会材料老化与服役安全论坛发表《反应堆压力容器用钢辐照老化的多尺度研究》主旨报告。
报告围绕反应堆压力容器用钢在长期服役中的辐照老化问题，强调需要基于物理机制的多尺度模型来支撑延寿论证和高剂量条件下的预测。研究通过热时效、中子辐照、重离子与质子辐照、预辐照和原位辐照等手段，分析溶质团簇和微错环等纳米结构的演化机制及其对硬化、脆化的影响。报告总结了镍、锰等元素对析出和缺陷演化的作用，并提出将机理认识用于辐照脆化预测模型修正。
关键点
1. 报告主题与研究背景（01:34）
陈良介绍报告题目为反应堆压力容器用钢辐照老化的多尺度研究，并说明自己长期围绕压力容器材料开展研究，先后在上海交通大学、日本东京大学及回国后的团队中持续推进相关工作。
2. 延寿需求推动机理模型发展（02:20）
压力容器面临四十年、六十年甚至更长周期服役的延寿需求，辐照脆化预测模型是延寿论证的重要技术点。相关模型的发展正从早期数据拟合型模型逐步转向基于物理机制的模型，但高剂量条件下预测精度仍需进一步提高。
3. 实验与计算结合的多尺度路线（04:00）
报告指出，实验室需要用较短周期的实验模拟长期堆内服役过程，包括重离子辐照和研究堆模拟等方法；同时借助超算和大规模计算模型定量预测材料性质变化。团队重点耦合原子尺度、介观尺度和损伤结构模拟，以团簇动力学等方法研究辐照缺陷演化并连接性能变化。
4. 原位辐照表征技术（05:34）
团队与日本东京大学合作使用原位透射电镜，在重离子辐照过程中实时观察材料微结构演化。报告涉及热时效、中子辐照、重离子和质子辐照，以及预辐照和原位辐照的耦合研究。
5. 纳米结构是长期老化的关键机制（06:17）
反应堆压力容器钢在长期老化中的宏观硬化和脆化，源于纳米尺度的溶质团簇和微错环等微观结构演化。这些结构通常处于约两到四纳米尺度，是开展多尺度研究的重要原因。
6. 镍锰硅析出的研究动机（07:00）
在低铜压力容器钢中，虽然镍锰硅最初可能低于固溶度而未被预期析出，但实际研究发现它们仍会形成析出并导致材料后续加速脆化。因此研究重点转向镍、锰、硅析出规律及材料成分差异对压力容器钢辐照老化的影响。
7. 热时效与追加中子辐照揭示团簇演化（08:14）
研究通过第一阶段热时效使元素充分析出，模拟长期服役形成的微结构，再通过追加中子辐照模拟延寿阶段继续服役。三维原子探针表征显示，原有溶质团簇在后续中子辐照中继续长大，同时还会形成新的小尺寸溶质团簇。
8. 锰显著加速微结构演化（09:55）
通过改变材料成分筛选主要元素效应后，研究发现锰对形成相似微观结构所需的老化时间影响显著，在含锰条件下老化进程明显缩短。团簇动力学模型表明，锰可能通过降低空位形成能来加速扩散和微结构演化。
9. 镍锰存在一比一协同析出规律（10:54）
不同材料成分和不同处理条件下形成的溶质团簇中，镍和锰原子数呈现一比一的含量规律。也就是说，尽管材料整体镍、锰成分会变化，溶质团簇内部成分保持相对固定，这为建立镍锰析出的物理预测模型提供了关键依据。
10. 预辐照与原位辐照研究微错环（11:49）
第二项工作关注辐照点缺陷聚集形成的微错环。研究采用预辐照快速达到高剂量，再通过原位辐照观察高剂量条件下微错环的进一步演化，以弥补原位辐照或中子辐照达到高剂量耗时长、成本高的问题。
11. 微错环存在两类生长行为（12:37）
原位辐照前后及过程中可以实时追踪每个微错环的尺寸变化。观察结果显示，微错环主要存在两种生长行为：一种是线性生长，另一种是尺寸突变。
12. 线性生长与镍元素促进作用（13:13）
线性生长可用速率理论解释，即微错环通过吸收自由缺陷而长大，其速率与吸收能力、点缺陷浓度和点缺陷迁移能力相关。分子动力学计算显示，镍元素可提高辐照缺陷含量，从而促进微错环形成和生长，预测模型中需要考虑镍的促进因子。
13. 尺寸突变来自迁移与合并反应（14:37）
微错环尺寸突变被归因于辐照下的一维迁移及随后的合并反应。该合并表现为“大环吃小环”，最终形成的微错环特征更多受较大微错环影响；由于不同类型微错环的脆化能力不同，这一机制可用于进一步修正模型。
14. 机理模型用于预测与工程应用（15:30）
报告总结的建模思路是先基于物理机制建立压力容器老化知识图谱和物理模型，再利用辐照监督数据拟合模型系数，最终用于辐照脆化预测。这类模型不仅服务于延寿论证，也有助于日常大修和辐照监督数据的提前研判。
15. 结论：多尺度解析纳米结构演化（16:21）
准确预测压力容器钢长期服役老化，需要理解纳米尺度溶质团簇和微错环的微观演变特性。团队通过多尺度计算模拟和新的实验技术，利用不同粒子束带来的不同动力学环境，对复杂结构演化进行解耦分析，并将继续开展相关研究。
时间线
00:01 - 主持人引出下一场报告，主题为反应堆压力容器用钢辐照老化的多尺度研究。
01:34 - 报告人介绍个人背景、研究延续性和报告主题，说明研究对象集中在反应堆压力容器材料。
02:20 - 报告首先阐述长期服役和延寿背景下对辐照老化机理模型的需求，以及从数据驱动模型向物理机制模型转变的趋势。
04:00 - 随后介绍团队采用的总体研究方法，包括实验模拟堆内环境、计算模拟性质变化，以及跨尺度耦合微结构与性能。
05:34 - 报告说明具体实验技术组合，特别是与东京大学合作开展原位透射电镜辐照观察，并提出将多种辐照和时效手段耦合使用。
06:17 - 内容转入老化机理分析，强调溶质团簇和微错环等纳米结构对硬化和脆化的决定作用。
07:00 - 第一项具体研究聚焦镍锰硅析出，通过热时效和中子辐照研究低铜压力容器钢中溶质团簇的形成与演化。
08:14 - 报告展示分阶段热时效和追加中子辐照实验结果，说明延寿阶段既有团簇继续长大，也有新团簇生成。
09:55 - 随后分析材料成分效应，指出锰会显著加速微结构演化，镍锰之间还存在稳定的一比一协同析出规律。
11:49 - 第二项具体研究转向微错环，采用预辐照和原位辐照追踪高剂量条件下缺陷结构的动态演变。
12:37 - 报告通过原位观察区分微错环的线性生长和尺寸突变两类行为，并分别讨论其物理来源。
13:13 - 对线性生长部分，报告结合速率理论和分子动力学模拟，说明镍元素提高辐照缺陷含量并促进微错环生长。
14:37 - 对尺寸突变部分，报告将其解释为微错环迁移和合并反应，并指出这一认识可用于修正脆化预测模型。
15:30 - 最后报告归纳基于物理机制的建模流程，包括知识图谱、物理模型、监督数据拟合和工程预测应用。
16:21 - 报告以总结收束，强调通过多尺度模拟和新实验技术解析纳米结构演化，是提高压力容器钢长期老化预测能力的关键。
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陈良在深圳核博会阐释反应堆压力容器钢辐照老化多尺度研究进展
2025年11月14日，在深圳核博会材料老化与服役安全论坛上，上海交通大学巴黎卓越工程师学院副教授陈良作题为《反应堆压力容器用钢辐照老化的多尺度研究》的主旨报告，围绕核电机组延寿背景下压力容器钢辐照脆化预测这一关键问题，介绍了团队在实验表征、计算模拟和机理模型构建方面的研究进展。
陈良长期从事反应堆压力容器用钢辐照老化研究，相关工作贯穿国内导师团队、日本东京大学以及回国后在上海交通大学的持续研究过程，并与日本东京大学合作开展原位透射电镜辐照实验。他在报告中指出，随着核电机组运行年限不断延长，部分国家已从一次延寿进入二次延寿阶段，甚至开始考虑将机组运行寿命延长至约100年。在这一趋势下，反应堆压力容器作为不可更换的关键部件，其辐照脆化预测成为延寿论证和安全评估的重要技术基础。
现有辐照监督样品数据在高剂量、长时间尺度条件下仍然有限，而工程应用往往需要将有限实验数据外推至60年、80年甚至更长服役周期。陈良表示，早期预测模型更多依赖经验拟合和数据驱动方法，但面对长寿命服役要求，仅凭数据外推难以充分支撑高可信度评估，未来模型发展需要更多基于物理机制，将微观结构演化与宏观性能变化联系起来。
报告强调，反应堆压力容器钢的老化服役时间可达几十年，但决定材料性能退化的关键微结构往往位于纳米尺度。其中，溶质团簇和微错环是引发材料硬化、韧脆转变温度升高以及辐照脆化的重要因素，典型尺寸约为2至4纳米。因此，准确理解这些纳米微结构的形成、长大、迁移和相互作用，是建立可靠辐照脆化预测模型的核心。
在研究方法上，陈良介绍了实验与模拟相结合的多尺度技术路线。团队一方面利用研究堆中子辐照模拟真实反应堆环境，通过重离子和质子辐照在较短周期内模拟高剂量辐照效应，并借助热时效研究长期扩散和析出过程；另一方面依托超级计算开展多尺度模拟，结合团簇动力学、分子动力学等方法，分析辐照缺陷与溶质团簇的形成、迁移和相互作用。团队研究重点聚焦中观尺度模型建设，尝试将原子尺度机理、团簇动力学和损伤结构模拟耦合起来，用于预测更长时间尺度下材料微结构和性能变化。
围绕溶质团簇析出问题，报告重点讨论了低铜压力容器钢中的镍、锰、硅团簇。传统认识中，低铜钢中相关元素可能低于固溶度，不一定发生显著析出，但实际研究发现，即使在低铜条件下，镍—锰—硅团簇仍会形成，并可能加速辐照脆化。由于不同反应堆压力容器钢即使同属508-3钢，具体成分也会存在差异，特别是镍、锰等含量变化会影响老化行为，因此建立成分敏感的预测模型具有重要意义。
团队通过“充分热时效+追加中子辐照”的实验设计，研究延寿阶段已形成微结构在继续服役条件下的演化规律。三维原子探针表征显示，热时效阶段形成的平均尺寸约2纳米的溶质团簇，在追加中子辐照后会进一步长大，尺寸分布峰向更大尺寸区域移动；同时，追加辐照过程中还会形成新的小尺寸团簇，表现为尺寸分布中出现新的低尺寸峰。这说明延寿阶段的微结构演化并非单一过程，而是同时包含原有团簇长大和新团簇形核。
在元素效应方面，研究发现锰对溶质团簇演化具有显著促进作用。在含锰条件下，形成相似微结构所需老化时间明显缩短，速率可提高约2.5倍。团簇动力学模型表明，锰可能通过降低空位形成能、强化空位相关扩散过程，从而加快微结构演化速度。此外，不同材料成分和处理条件下，团簇中镍与锰原子数接近一比一，即使基体中镍、锰总含量变化，团簇内部比例仍较稳定，这一规律可为镍—锰析出物理预测模型提供重要依据。
除溶质团簇外，微错环也是导致辐照硬化的重要微结构。陈良介绍，团队采用预辐照与原位辐照相结合的策略，先通过预辐照快速达到较高剂量，再利用原位透射电镜实时观察高剂量条件下微错环的进一步演化。该方法可以连续追踪每一个微错环在辐照过程中的尺寸变化，从而分析其形成、生长、迁移与相互作用机制。
原位观察显示，微错环演化主要表现出两类生长行为：一类是线性生长，即尺寸随辐照时间或剂量稳定增加，可用传统速率理论解释，主要由微错环吸收自由点缺陷驱动；另一类是尺寸突变，即微错环在短时间内发生明显尺寸变化，背后涉及辐照条件下微错环的一维迁移和合并反应。分子动力学模拟进一步表明，镍元素可提高辐照缺陷含量，从而促进微错环形成和生长，这意味着在微错环预测模型中应考虑镍的促进因子。
针对微错环合并行为，报告还提到实验中观察到的“大环吃小环”现象。微错环合并并不完全符合传统金属学中简单的伯氏矢量守恒表现，合并后形成的微错环伯氏矢量更接近反应前较大的微错环。压力容器钢中常见微错环包括1/2<111>型和<100>型，其中<100>型微错环通常具有更强致硬化能力，因此微错环类型转变和合并机制也需要纳入辐照硬化预测模型。
面向工程应用，陈良介绍了基于物理机制的建模思路：首先梳理压力容器钢老化相关物理机制，构建涵盖溶质团簇、微错环、点缺陷和元素扩散等关键因素的知识图谱；随后建立辐照损伤与脆化预测模型，将析出、缺陷产生、扩散、微错环演化等过程纳入统一框架；再利用监督样品数据和新实验结果持续校准模型参数。该类模型不仅可服务于核电机组延寿论证，也可用于日常运行管理、辐照监督数据趋势预测、大修计划制定、材料状态评估和安全裕度判断。
