我院科研团队在核电系统氢脆机制研究领域发表全面综述

近日，我院韩恩厚院士、孙桂芳教授团队联合东南大学、中国工程物理研究院等单位撰写长篇综述，系统阐释核电结构材料氢脆机理，成果刊发于核材料权威期刊《Journal of Nuclear Materials》。论文标题：Hydrogen embrittlement mechanisms in structural materials for nuclear power systems: A comprehensive review。文章系统归纳了极端服役工况下核电关键结构材料的氢脆失效机理，同时针对抗氢脆新材料开发、构件寿命精准预测等前沿方向作出系统性研判与展望。该综述可为新一代核反应堆核心结构材料的安全评价、性能优化设计提供关键理论支撑，充分彰显我院在极端环境材料腐蚀与防护方向扎实的研究积累与前沿攻关实力。论文通讯作者为我院孙桂芳教授，第一作者系东南大学机械工程学院博士生贾志远。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2026.156822

氢脆是影响核电系统长期结构完整性与运行安全的重要挑战。在过去二十余年中，尽管针对核级金属材料的微观氢脆机理研究取得了显著进展，但由于核反应堆内部普遍存在中子辐照、高温高压水化学以及复杂的热机械载荷，孤立的单一因素研究已难以全面揭示材料的真实退化过程。针对近年来该领域系统性理论总结的空白，本篇综述跳出了传统等温环境或单一材料的研究局限，建立了一个融合宽运行热历程与多物理场耦合的系统理论框架。

图1. 压水堆（PWR）系统关键部件氢脆敏感性的原理示意图。该图展示了经典氢脆三要素（易感材料、服役环境和外加应力）之间的协同作用，以及各核心结构合金主要的局部析氢机制

文章详细梳理了不同晶格结构体系（如锆合金、铁基合金和镍基合金）在跨越数百度的服役热瞬态过程中的机制分水岭。研究团队重点剖析了中子辐照与氢的深度耦合效应，指出辐照硬化不仅促使材料的变形模式从均匀滑移向非均匀平面滑移或位错通道发生根本性转变，还会与嬗变产生的氦微气泡在晶界处产生复杂的协同与混淆效应。这些微观层面的陷阱重塑与力学状态突变，为理解核电组件在极低氢浓度下发生早期晶间或通道断裂提供了坚实的物理冶金学解释。

图2. 金属中辐照损伤与吸收氢原子之间协同相互作用的原理示意图

在探讨氢脆缓解策略时，该综述充分考虑了核电极端环境对材料中子经济性与辐照稳定性的严苛约束。文章客观评估了析出相工程与晶界工程等传统冶金优化手段的适用性边界，并前瞻性地探讨了多主元合金利用本征晶格畸变迟滞氢扩散的理论潜力。面对高质量辐照实验数据稀缺的行业现状，研究团队呼吁引入物理信息机器学习技术，通过将热力学与动力学法则嵌入人工智能框架，以期在未来实现非黑盒机制的核电组件服役寿命精准预测。

   综述中的其他重要图表：

表 1. 核电系统中主要结构合金类别的温度依赖性氢脆敏感性及相关服役场景

图 3. 不同材料的氢致开裂（HAC）机制：(a) 氢化物机制，(b) 氢增强去黏结（HEDE），(c) 氢增强局部塑性（HELP），(d) 吸附诱导位错发射（AIDE），(e) 氢增强应变诱导空位（HESIV）

图 4. (a-d) NbC/α-Fe 半共格界面处的错配位错及晶格对应关系示意图。高强钢中氢脆与深氢陷阱的相关性：(e) 无 NbC 纳米析出相；(f) 具有均匀分散的致密 NbC 纳米析出相（在半共格界面处形成深氢陷阱）；(g) 含有少量粗化的 NbC 纳米析出相。(h) 马氏体钢中除 NbC 析出相界面捕获外的其他氢脆影响因素

图 5. (a-c) 单一晶界裂纹；(d-f) 多重晶界裂纹；(g) 充氢 Inconel 725 合金中 Σ3 共格孪晶界（CTB）的双重作用；(h) 三维重建的二维截面，显示了入射面、偏转面和晶界面的迹线；(i) 与晶界相交的孪晶片层局部改变了晶界特征，形成了低指数面边界（BLIP），从而阻止裂纹扩展并使其偏转到更为曲折的路径上

图 6. 影响氢脆（HE）的因素及其预防策略

图 7. 基于人工智能（AI）的氢脆解决方案与预测工作流程