氢如何在金属中“吹泡泡” 我国科学家首次给出答案

本报讯（记者 汪永安）7月17日，记者从中科院合肥研究院固体物理研究所获悉，该所刘长松课题组吴学邦与麦吉尔大学宋俊合作，首次建立了体心立方金属中纳米孔洞氢俘获和聚集起泡的定量预测模型，为理解氢致损伤，以及设计新型抗氢致损伤材料提供了可靠的理论基础和工具。该成果日前发表在《自然·材料》杂志上。

氢是宇宙中最丰富的元素，也是元素周期表上最小的元素。正因为“个头小”，氢极易钻进金属材料的内部，导致材料损伤。例如，在磁约束核聚变反应堆的核心部位，燃料氢同位素极易渗透进保护其他部件的钨金属装甲，与中子辐照产生的纳米孔洞结合，从而形成氢气泡并产生裂纹，最终对材料的结构和服役性能造成致命损伤，危及聚变装置的安全。

为攻克以上难题，固体所科研人员进行了近五年的探索，在超级计算机上进行了数万次模拟后，终于总结出了纳米孔洞俘获氢的基本规律：内壁上氢的能量取决于吸附点的类型以及内壁上氢的面密度，而芯部氢的能量则由氢的体密度决定。基于这些规律，研究人员建立了一个普适的定量模型，推导出了一个简单的物理公式，建立了氢与纳米孔洞相互作用的定量物理模型，从而解决了长期以来无法准确描述和预测“氢气泡”结构与能量的基本问题，为理解氢致金属材料损伤提供了寻求已久的关键认知。

“未来，我们可以基于这个模型设计新型的抗氢致损伤材料，这些金属材料会被用在未来聚变堆第一壁装甲中，助力可控核聚变的实现。”固体所副研究员孔祥山认为，这一成果也会在氢能源汽车以及航空航天等领域中发挥至关重要的作用。

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