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的辐照老化机理与预测模型展开，强调长寿期运行和延寿论证需要基于物理机制的多尺度研究。报告通过热时效、中子辐照、重离子与质子辐照、预辐照和原位辐照等方法，分析溶质团簇和位错环的演化及其对硬化脆化的影响，并提出将实验观测与计算模拟耦合以改进辐照脆化预测。
关键点
1. 延寿需求推动机理模型发展（02:20）
报告指出，反应堆长期运行和延寿论证需要更准确的压力容器钢辐照脆化预测模型。现有模型正从早期数据拟合型逐步转向基于物理机制的模型，但高通量或长时间外推条件下的预测精度仍需持续提高。
2. 多尺度实验与计算耦合思路（04:00）
研究采用重离子辐照、研究堆模拟以及大规模计算模拟来连接实验室短周期研究与反应堆几十年服役尺度。团队重点关注介观尺度模型，利用团簇动力学描述辐照缺陷演化，并与损伤结构和材料性能模拟耦合。
3. 原位表征技术用于观察微结构演化（05:34）
报告介绍了与东京大学合作开展的原位透射电镜重离子辐照实验，可在辐照过程中实时观测材料微结构变化。研究组合了热时效、中子辐照、重离子和质子辐照、预辐照与原位辐照等手段。
4. 纳米微结构是老化的核心机制（06:17）
反应堆压力容器钢长时间老化背后的关键物理机制来自纳米尺度微结构，主要包括溶质团簇和位错环。它们导致材料硬化，并进一步引起硬化脆化；其典型尺寸约为2到4纳米，这也是开展多尺度研究的重要原因。
5. 低铜钢中镍锰硅析出值得关注（07:00）
研究关注镍、锰、硅在压力容器钢中的析出规律，尤其是在铜含量较低的材料中，镍锰硅仍会发生析出并可能造成后续材料脆化加速。不同压力容器的成分差异也会导致辐照脆化程度不同，因此需要建立预测模型。
6. 热时效与追加中子辐照模拟延寿过程（08:14）
研究先通过充分热时效促使元素析出和团簇生长，再追加中子辐照以模拟继续服役过程。三维原子探针结果显示，原有溶质团簇会继续长大，同时还会形成新的小尺寸溶质团簇，说明延寿阶段存在既有结构演化和新结构生成两类过程。
7. 锰效应与镍锰协同规律（09:55）
通过改变材料成分研究微结构演化，发现锰显著缩短形成相似微结构所需的老化时间，约提高2.5倍；团簇动力学分析认为其与降低空位形成能、加速扩散和演化有关。研究还发现溶质团簇中镍和锰原子数遵循约1比1的规律，为建立镍锰析出物理模型提供了关键依据。
8. 预辐照与原位辐照研究位错环（11:49）
第二项工作关注由辐照点缺陷聚集形成的位错环。通过预辐照快速达到高剂量，再利用原位辐照观察高剂量条件下位错环的进一步演变，以克服原位或中子辐照达到高剂量耗时长、成本高的问题。
9. 位错环存在两类生长行为（12:37）
原位辐照可实时追踪单个位错环尺寸演化，结果显示其生长包括线性生长和尺寸突变两种行为。线性生长可用吸收自由点缺陷的速率理论解释；分子动力学模拟还表明镍元素会提高辐照缺陷含量，因此在位错环致脆预测中需要考虑镍的促进作用。
10. 尺寸突变来自位错环迁移与合并（14:37）
对位错环突变过程的追踪表明，尺寸突变来源于辐照下的一维迁移及随后的合并反应，表现为大环吞并小环。不同类型位错环的致脆能力不同，其中100型位错环比1/2〈111〉型位错环更强，这可用于进一步修正预测模型。
11. 基于机制的辐照脆化预测框架（15:30）
报告总结了基于物理机制建模的路线：先梳理压力容器老化知识图谱，再建立物理模型，并利用辐照监督数据拟合模型参数，最终用于辐照脆化预测。该框架不仅服务延寿论证，也可帮助日常大修和辐照监督数据预测。
时间线
00:01 - 主持人介绍下一场报告，主题为反应堆压力容器用钢辐照老化的多尺度研究。
01:39 - 报告人陈良介绍个人研究背景和报告题目，说明其长期围绕反应堆压力容器开展研究。
02:20 - 报告从长寿期运行和延寿论证需求出发，阐述为什么需要更可靠的基于物理机制的辐照脆化预测模型。
04:00 - 报告介绍团队的总体研究策略，包括实验模拟、计算模拟以及跨尺度耦合，以连接纳米微结构演化和工程尺度性能预测。
06:17 - 报告转入老化机理，说明溶质团簇和位错环是导致压力容器钢硬化脆化的重要纳米结构。
07:00 - 第一项具体工作围绕镍锰硅析出展开，通过热时效和追加中子辐照研究溶质团簇在延寿情景下的演化。
09:55 - 报告进一步分析材料成分对团簇演化的影响，重点讨论锰的加速作用以及镍锰之间的协同析出规律。
11:49 - 第二项具体工作转向位错环，利用预辐照和原位辐照研究高剂量条件下位错环的生成、生长和演变。
12:37 - 报告展示原位观测结果，归纳位错环线性生长与尺寸突变两类行为，并结合理论和模拟解释其机制。
15:30 - 报告最后总结基于知识图谱、物理模型和辐照监督数据的预测框架，并强调多尺度计算与新实验技术对长期服役预测的重要性。
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陈良在深圳核博会阐释反应堆压力容器用钢辐照老化多尺度研究进展
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，围绕核电机组长寿期运行背景下反应堆压力容器用钢的辐照老化机理、实验模拟方法、计算模型构建及工程预测需求进行了系统介绍。
反应堆压力容器是核电站长期服役安全评估中的关键部件。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，甚至开始讨论百年寿期运行的可能性。在这一背景下，压力容器钢在长期辐照环境中的老化与脆化预测，成为支撑延寿论证和服役安全评估的重要技术基础。陈良指出，早期辐照脆化预测模型较多依赖监督数据和经验拟合，但由于实际反应堆中的辐照监督样品数量有限，四十年左右的运行数据难以完全支撑六十年、八十年乃至更长寿期的可靠外推。因此，预测模型正逐步从数据拟合转向基于物理机制的模型构建，只有深入理解微观结构演化规律，才能提高长期预测的可信度。
报告介绍了团队在多尺度研究方面的总体思路。相关研究聚焦辐照老化机理与模型支撑，目标是揭示微观结构如何决定材料性能，并将机理认识纳入工程预测模型。研究方法上，团队结合团簇动力学、原子尺度模拟和损伤结构模拟等计算手段，探索从原子尺度缺陷演化到宏观性能变化之间的联系。随着高性能计算能力提升，更大规模、更定量的模拟预测成为可能。实验方面，团队综合采用热时效、中子辐照、重离子辐照、质子辐照、预辐照和原位辐照等手段，分别模拟长期热老化、真实堆内辐照环境及短时间高剂量损伤过程，并通过不同动力学条件下的对比研究，对复杂微观结构演化进行解耦分析。
在原位表征技术方面，陈良介绍了团队与东京大学合作开展的原位辐照透射电镜研究。该方法可在重离子辐照过程中实时观察材料微结构变化，追踪单个位错环或缺陷结构的尺寸变化、迁移行为和合并过程，为理解高剂量条件下辐照缺陷的动态演化提供了直接证据。通过预辐照与原位辐照结合，研究人员能够先快速获得高剂量损伤状态，再实时观察微观结构在后续辐照中的继续演变，从而弥补传统中子辐照周期长、成本高以及难以实时观测的不足。
陈良表示，压力容器钢长期辐照老化的根源在于纳米尺度微观结构演化，主要包括镍、锰、硅等元素形成的溶质团簇，以及辐照点缺陷聚集形成的位错环。这些结构通常只有二至四纳米，却能够显著阻碍位错运动，引起材料硬化，并进一步导致辐照脆化和韧脆转变温度升高。因此，准确预测纳米结构演化，是预测压力容器钢长期服役性能的核心问题。
围绕镍锰硅溶质团簇析出，报告重点介绍了低铜压力容器钢中的相关研究。我国压力容器钢通常铜含量较低，过去认为镍、锰、硅元素低于固溶度时不易析出，但实际研究发现，即使在低铜钢中，镍锰硅仍会发生析出，并可能导致材料加速脆化。同时，不同压力容器钢即便属于同一牌号，实际化学成分也存在差异，镍、锰等元素含量变化会影响辐照脆化程度，因此有必要建立能够考虑成分效应的预测模型。
在实验设计上，团队采用热时效与追加中子辐照相结合的方法，分阶段模拟长期服役和延寿过程。第一阶段通过充分热时效，使溶质元素析出并形成较成熟的团簇；第二阶段追加中子辐照，模拟延寿阶段继续服役时的结构演化。三维原子探针表征结果显示，热时效后材料中形成平均尺寸约两纳米的溶质团簇，追加中子辐照后，原有团簇进一步长大，尺寸分布向更大尺寸移动，同时又产生新的小尺寸溶质团簇，形成新的尺寸分布峰。这表明，在延寿服役过程中，材料内部既存在已有微观结构的继续演化，也存在新结构的持续形成。
研究还发现，锰元素对溶质团簇形成与演化具有显著促进作用。通过比较不同材料成分，团队发现锰是影响老化速度的重要元素，在含锰条件下，形成相似微观结构所需时间显著缩短，老化速度约提高二点五倍。团簇动力学分析表明，锰可能通过降低空位形成能，加快扩散过程和微结构演化。此外，不同材料成分和不同老化条件下形成的溶质团簇中，镍与锰原子数接近一比一，即使基体中镍、锰含量发生变化，团簇内部成分比例仍较稳定。这一规律说明镍锰之间存在重要热力学耦合关系，也为建立镍锰硅析出的物理模型提供了关键依据。
除溶质团簇外，位错环也是压力容器钢辐照硬化的重要来源。位错环由辐照产生的点缺陷聚集形成，其尺寸、数量、迁移和合并行为会直接影响材料硬化程度。原位观察显示，部分位错环呈现近似线性生长，这一行为可用速率理论解释，即位错环吸收自由点缺陷后逐渐长大，生长速率取决于位错环吸收点缺陷的能力、点缺陷浓度以及点缺陷迁移能力。分子动力学模拟进一步表明，镍元素能够提高辐照缺陷含量，使位错环形成数量增多并加快生长，因此在预测位错环致硬化贡献时，也需要考虑镍元素的促进作用。
报告还介绍了位错环尺寸突变现象。除线性生长外，实验中还观察到位错环在辐照下发生一维迁移，并与其他位错环合并，导致尺寸非连续增大。这种合并行为表现出“大环吃小环”的特征，合并后的位错环伯氏矢量通常继承较大位错环的伯氏矢量。压力容器钢中主要存在二分之一〈111〉位错环和〈100〉位错环，其中〈100〉位错环通常具有更强的致硬化能力。对位错环合并与类型转变规律的理解，可用于进一步修正辐照硬化模型。
在面向工程应用的预测模型框架方面，陈良提出，应首先总结压力容器钢辐照老化的知识图谱，再根据主要物理机制建立模型，并利用辐照监督数据对模型参数进行拟合和校准，最终服务于压力容器钢辐照脆化和寿期性能预测。该模型框架可支撑核电机组一次延寿、二次延寿及更长寿期安全论证，也可用于预测辐照监督数据趋势，为日常大修、服役状态评估和材料性能预判提供依据。
陈良表示，辐照老化虽然表现为宏观性能退化，但其本质根源是纳米尺度微结构演化。热时效、中子辐照、重离子辐照、质子辐照、预辐照和原位辐照分别代表不同动力学环境，将多种实验手段与计算模拟相结合，有助于解析复杂辐照老化过程。未来，团队将继续发展原位辐照表征和多尺度计算模拟方法，进一步研究不同元素、不同辐照粒子和不同剂量条件下的微结构演化规律，并将微观机制更系统地纳入工程预测模型，提升压力容器钢长期服役安全评估能力。
