在反應堆服役過(guò)程中，鐵基結構材料會(huì )遭受高能中子的轟擊，產(chǎn)生大量離位損傷，包括空位（V）和自間隙原子（SIA）。經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的演化，這些離位缺陷會(huì )發(fā)展為位錯、空洞等大尺寸缺陷團簇，使得材料性能降級甚至失效，不利于反應堆的安全穩定運行。多晶/納米晶材料具備良好的抗輻照性能，這得益于此類(lèi)材料中高密度的晶界能夠捕獲輻照缺陷并促進(jìn)其復合，進(jìn)而降低晶粒內輻照損傷的累積。為了認識并預測多晶材料內輻照損傷的微結構演化過(guò)程，必須對輻照缺陷與晶界的跨尺度相互作用機理進(jìn)行探究。

　　在以往的多尺度模擬中，人們往往將晶界抽象為沒(méi)有具體結構的二維平面，因而采用靜態(tài)計算獲得缺陷與晶界的相互作用參數，如形成能、結合能、遷移能壘等，以此來(lái)表征晶界的結構特征以及缺陷的演化特性。但晶界特征的多樣性使得不同種類(lèi)的晶界往往呈現出截然不同的局域結構與缺陷性質(zhì)。如果將這些性質(zhì)簡(jiǎn)單地抽象為單一的作用參數，會(huì )遺漏掉許多與缺陷相關(guān)的原子信息，進(jìn)而影響長(cháng)時(shí)間尺度下缺陷演化的正確預測。鑒于此，科研人員發(fā)展了一種既能分辨晶界處缺陷性質(zhì)的空間位置相關(guān)性，又能粗粒化處理遠離界面區域缺陷演化的模擬方法，即所謂雜化LKMC和OKMC模擬技術(shù)（圖1）。

　　利用該技術(shù)，科研人員對鐵晶界中輻照缺陷的累積機制進(jìn)行了探究。由于晶界對間隙原子的偏置吸收往往會(huì )致使空位被滯留在晶粒內部，因此對空位的消除能力成為晶界抗輻照性能的重要指標。于是，在此項研究中，科研人員重點(diǎn)關(guān)注了空位與晶界的相互作用過(guò)程。研究發(fā)現：（1）在高溫下，除了已知的晶界對空位的捕獲之外，還存在空位發(fā)射和泄露這兩個(gè)原子過(guò)程，這些過(guò)程的發(fā)生取決于晶界特征（圖2）；（2）常規大角/小角晶界具備較高的空位捕獲效率。對于極端小角晶界，空位能夠直接穿過(guò)位錯核心之間的類(lèi)塊體區域，這種泄露效應削弱了此類(lèi)晶界對空位的捕獲和容納能力（圖2）；（3）由于較低的空位-晶界結合強度，孿晶界和特殊的重位點(diǎn)陣晶界無(wú)法有效地抑制空位發(fā)射（圖3）；（4）通過(guò)結合晶粒尺寸與界面內缺陷形成能和遷移能壘，提出了晶粒尺寸與晶界特征的耦合方程：。

　　在該方程左端，L為晶粒尺寸，E_V^f,GB和E_V^m,GB分別為晶界內的空位形成能和遷移能壘，其可用于描述晶界特征。在方程右端，E_V^f,bulk和E_V^m,bulk分別為塊體內的空位形成能和遷移能壘，對于給定體系，其為常量。滿(mǎn)足該方程時(shí)，通過(guò)沿晶界的缺陷巡游使得原本在高能級區域出現的缺陷發(fā)射過(guò)程被抑制，進(jìn)而導致材料輻照響應與缺陷-晶界結合強度之間的不確定性（圖4）。 

　　該工作揭示了空位與晶界之間新的相互作用過(guò)程以及這些過(guò)程之間的耦合，這些結果對于其他多晶體系（如鎢、鉬等）具有普適性，可加深人們對多晶材料輻照響應的認識，并為實(shí)驗上基于晶界工程優(yōu)化材料的抗輻照性能提供機理參考。博士研究生李小林為該文章的第一作者，李祥艷副研究員和吳學(xué)邦研究員為文章的共同通訊作者。

　　上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金以及合肥研究院院長(cháng)基金的支持。