材料辐照损伤是制约先进核能系统发展的关键瓶颈之一。杂质元素易在缺陷处偏析聚集，但其对辐照损伤形成与演化的作用机制至今尚不清晰。近日，北航44118太阳成城集团吕广宏教授、周洪波教授团队以体心立方金属钨为模型体系，基于自主开发的多尺度模拟方法，揭示了氢杂质通过应力调控抑制金属中空位与自间隙原子复合的微观机制，建立了氢偏析程度与缺陷复合半径变化的定量预测模型，实现了对氢与辐照缺陷协同演化行为的可靠预测。相关成果以“Hydrogen reduced interstitial-vacancy cluster recombination in metals“为题发表于国际知名综合期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。

图1.氢偏析对空位团簇和自间隙原子复合半径的影响规律以及相应的应力场变化。

本研究通过大规模分子动力学模拟发现，当氢原子偏聚并吸附于空位团簇内表面时，会显著抑制空位与自间隙原子的复合（图1）。定量分析显示，纯空位团簇周围存在拉应力场，可驱动自间隙原子定向迁移并发生湮灭；随着氢原子的不断偏析，空位团簇周围的应力场逐渐由拉应力转变为压应力，这将大幅削弱其对自间隙原子的长程吸引作用，导致有效复合半径的显著降低。

图2.空位团簇内表面氢原子密度与缺陷复合半径变化的定量关联。

基于这一应力调控的物理本质，进一步研究发现，氢引起的复合半径变化与空位团簇内表面的氢原子密度呈现出清晰的线性关系，且这一规律不依赖于空位团簇尺寸（图2）。基于此建立的预测模型得到了多种原子间势函数的交叉验证，并成功推广至钼、铁等体心立方金属，显示出良好的普适性和鲁棒性。

图3.多尺度模拟钨材料同时和顺序辐照后氢原子的深度分布、热脱附谱和滞留量之比。

在此基础上，应用自主开发的对象动力学蒙特卡洛程序，系统研究了金属钨中氢与离位缺陷的协同演化行为。模拟预测的氢深度分布、滞留与脱附行为，均与核反应分析和热脱附谱实验结果高度吻合（图3），证实氢的加入会显著提高辐照后材料中的残余缺陷数量，揭示氢吸附调控应力场分布是加剧材料辐照损伤的核心物理机制。

该研究将杂质-缺陷相互作用与缺陷-缺陷复合动力学直接关联，不仅澄清了学术界长期争论的氢致辐照损伤加剧的微观起源，更为通过应力工程、成分设计等手段调控复合半径、进而主动控制辐照损伤开辟了全新路径，对先进核能系统结构材料抗辐照设计和半导体材料辐照改性具有重要指导意义。

北航44118太阳成城集团李宇浩副教授为文章第一作者，周洪波教授、吕广宏教授为共同通讯作者，44118太阳成城集团为唯一完成单位。该工作得到了国家自然科学基金重大项目、教育部学科突破先导项目等基金项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-75035-3