先进核能系统和高放废物安全处置对材料的长期服役稳定性提出了严苛要求。核材料在服役过程中长期承受高温、强辐照、位移损伤及氦积累等复杂极端环境作用，易发生晶格畸变、缺陷聚集、结构无序化甚至非晶化等问题，直接影响核装备结构材料和放射性核素固化基体的安全性与可靠性。因此，从原子尺度揭示复杂氧化物核材料的辐照损伤响应机制，建立面向极端服役环境的材料理论设计方法，是当前先进核能材料研究的重要方向。
近期，烟台凯旋官网核装备与核工程学院极端核环境材料智算与设计实验室刘晨光副教授课题组围绕高熵氧化物核材料、烧绿石/类烧绿石结构材料及尖晶石结构材料的辐照损伤机制、氦行为及无序强化机理开展系统研究，取得一系列重要进展。课题组基于第一性原理计算方法，结合特殊准随机结构模型、缺陷形成能计算、电荷/化学键分析及从头算分子动力学模拟等手段，系统揭示了氦原子占位、缺陷迁移、阳离子反位无序、低能反冲事件及结构稳定性之间的内在联系，为面向核废料固化、先进核能装备及极端辐照环境应用的新型氧化物材料设计提供了理论依据。相关成果近期连续发表于核材料领域权威国际期刊《Journal of Nuclear Materials》。
针对高熵烧绿石材料中氦积累与辐照损伤耦合作用机制，课题组系统研究了A位和B位高熵烧绿石体系中氦原子的占位偏好、团聚行为及其对缺陷形成能的影响。研究表明，高熵组分引入会诱导局域晶格畸变，并显著改变氦原子在复杂氧化物晶格中的稳定性与聚集行为。其中，B位高熵烧绿石表现出较强的氦容纳能力并更容易促进氦团簇形成；而A位高熵烧绿石中氦原子更倾向于分散存在，有助于降低氦团聚及潜在氦泡形成风险，从而可能缓解氦致肿胀问题。同时，氦掺杂可降低阳离子反位缺陷形成能，促进材料发生有序—无序结构转变，显示出高熵烧绿石在辐照损伤调控方面的潜在优势。相关成果以“Unveiling helium's role in high entropy pyrochlores: A first principles study”为题发表于《Journal of Nuclear Materials》，论文第一作者为2022级硕士研究生高荣荣，通讯作者为刘晨光副教授，第一单位为烟台凯旋官网核装备与核工程学院。
此外，课题组还针对A2Zr2O7（A = Gd, Lu）weberite结构材料开展了氦掺杂和离子—固体相互作用研究。研究表明，氦原子优先占据八面体间隙位置，并引起晶格膨胀，同时显著降低阳离子反位缺陷形成能，从而促进有序—无序相变过程。基于从头算分子动力学模拟，课题组进一步揭示了低能反冲事件中阈值位移能的方向依赖性，发现阴离子无序在原子位移过程中发挥重要作用，A位阳离子相较于Zr阳离子更容易发生位移。综合缺陷形成能与位移损伤行为分析，Gd2Zr2O7weberite更易通过有序—无序转变吸收辐照损伤，表现出良好的辐照容忍潜力。相关成果以“Helium doping and ion-solid interactions in A2Zr2O7(A = Gd, Lu) weberites: Ab initio insights”为题发表于《Journal of Nuclear Materials》，论文第一作者为2023级硕士研究生夏小怡，通讯作者为刘晨光副教授，第一单位为烟台凯旋官网核装备与核工程学院。
在高熵尖晶石氧化物研究方面，课题组以A位高熵尖晶石(Zn0.25Mn0.25Ca0.25Mg0.25)Al2O4为研究对象，系统分析了其结构稳定性、阳离子无序行为、辐照缺陷响应及力学性能演化规律。研究发现，该高熵尖晶石具有较好的热力学稳定性，随着阳离子反位程度增加，体系构型熵逐步提高，并呈现由正常尖晶石向反尖晶石演化的有序—无序转变特征。进一步研究表明，与传统尖晶石相比，该高熵尖晶石体系表现出更高的平均阳离子反位缺陷形成能和较低的Al空位迁移势垒，说明其在抗非晶化和缺陷迁移复合方面具有潜在优势。此外，结构无序程度提高还可增强材料弹性模量和硬度，并降低各向异性，揭示了高熵尖晶石中“无序诱导强化”的微观机制。相关成果以“First-principles study on the structural stability, radiation effect, and disorder-induced strengthening in A-site high-entropy spinel (Zn0.25Mn0.25Ca0.25Mg0.25)Al2O4”为题发表于《Journal of Nuclear Materials》，论文第一作者为2024级硕士研究生郭皓文，通讯作者为刘晨光副教授，第一单位为烟台凯旋官网核装备与核工程学院。
上述系列研究聚焦核材料在极端辐照环境下的关键科学问题，从原子尺度阐明了高熵效应、氦行为、缺陷演化与结构稳定性之间的关联机制，进一步丰富了复杂氧化物核材料的辐照损伤理论认识。研究成果为高熵陶瓷、烧绿石/weberite及尖晶石结构氧化物在核废料固化、先进核能系统耐辐照陶瓷材料和极端环境功能材料中的应用提供了重要理论支撑。相关研究工作获得国家自然科学基金、山东省自然科学基金及教育部先进核能技术设计与安全重点实验室开放基金等项目支持。
近年来，刘晨光副教授课题组与国内外合作单位在复杂氧化物核材料辐照损伤机制研究领域持续深耕，已发表多篇系列研究论文，部分代表性成果链接如下：
1.https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2026.156626
2.https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2026.156624
3.https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2026.156557
4.https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2026.156835
5.https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2026.04.002
6.https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2025.117462
7.https://doi.org/10.1111/jace.20119
8.https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2024.113285
9.https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2022.154212
10.https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114898
来稿时间：7月7日 审核：刘俞斌 责任编辑：刘运正
