High Radiation Resistance in the Binary W‐Ta System Through Small V Additions: A New Paradigm for Nuclear Fusion Materials

材料科学 融合 脆化 核聚变 微观结构 热核聚变 聚变能 抗辐射性 高熵合金 难熔金属 辐射损伤 通量 核工程 辐射 辐照 复合材料 冶金 等离子体 原子物理学 核物理学 物理 哲学 语言学 工程类
作者
Matheus A. Tunes,D. Parkison,Bomin Sun,Patrick Willenshofer,Sebastian Samberger,Christoph Frühwirth,Shalini Tripathi,Benjamin K. Derby,Jon K. Baldwin,Saryu Fensin,Damian Sobieraj,Jan Wróbel,Jesper Byggmästar,Stefan Pogatscher,Enrique Martínez,D. Nguyen-Manh,Osman El‐Atwani
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:12 (20) 被引量:7
标识
DOI:10.1002/advs.202417659
摘要

Abstract Refractory High‐Entropy Alloys (RHEAs) are promising candidates for structural materials in nuclear fusion reactors, where W‐based alloys are currently leading. Fusion materials must withstand extreme conditions, including i) severe radiation damage from energetic neutrons, ii) embrittlement due to H and He ion implantation, and iii) exposure to high temperatures and thermal gradients. Recent RHEAs, such as WTaCrV and WTaCrVHf, have shown superior radiation tolerance and microstructural stability compared to pure W, but their multi‐element compositions complicate bulk fabrication and limit practical use. In this study, it is demonstrated that reducing alloying elements in RHEAs is feasible without compromising radiation tolerance. Herein, two Highly Concentrated Refractory Alloys (HCRAs) − W 53 Ta 44 V 3 and W 53 Ta 42 V 5 (at.%) − were synthesized and investigated. We found that small V additions significantly influence the radiation response of the binary W–Ta system. Experimental results, supported by ab‐initio Monte Carlo simulations and machine‐learning‐driven molecular dynamics, reveal that minor variations in V content enhance Ta–V chemical short‐range order (CSRO), improving radiation resistance in the W 53 Ta 42 V 5 HCRA. By focusing on reducing chemical complexity and the number of alloying elements, the conventional high‐entropy alloy paradigm is challenged, suggesting a new approach to designing simplified multi‐component alloys with refractory properties for thermonuclear fusion applications.
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