钨表面氢及氢同位素聚集与起泡的动力学研究

Hydrogen (H) retention and blistering in tungsten (W) can significantly reduce the thermal conductivity and sputtering threshold of W, leading to a too much high content of W impurity (higher than 20 ppm). Deuterium-tritium (D-T) reaction can cause a large amount of tritium penetrate into W and retain in W. The above problems result in the plasma extinguishing, making the failure of the operation of fusion reaction, which directly impacts on the safety and economy in a fusion reactor. Therefore, H and H isotopes retention and blistering at tungsten surfaces under the plasma radiation is a key issue for the application of W-based plasma facing material. The high energy neutron irradiation induced by D-T reaction can cause the formation of defect such as vacancy in W. Revealing the mechanism of the formation of H (D, T)-defect complexes and the control of H blistering at W surfaces is crucial for W application. This is related with dynamic processes of H and H isotopes retention, accumulation and blistering at W surfaces. In this project, we employ a first-principles method and a molecular dynamics simulation using a EAM potential of W-H system developed by our group, to investigate the dynamic behavior of H (D, T)-defects and its clusters at W surfaces. Based on these results, we expect to propose a controlling method for the H blistering at W surfaces. The perform of this project can provide a theoretical reference for the application of W-based plasma facing material in the future tokamak fusion devices.

核聚变反应中氢在钨中的滞留、起泡极大降低钨材料的热导率和溅射阈值，使得等离子体中钨杂质含量过高（高于20ppm）；同时，聚变氘-氚反应造成大量氚渗透到钨材料中并产生滞留，以上问题均能直接导致等离子体熄灭，聚变反应无法进行，直接关系聚变堆运行的安全性。因此，等离子体辐照下钨表面氢及氢同位素滞留、起泡问题是制约钨基壁材料应用的瓶颈问题，氘-氚反应产生的高能中子辐照会造成材料产生空位等缺陷，氢（氘、氚）-缺陷复合体在钨表面的产生机制与控制方法成为解决该瓶颈问题的关键科学问题，这与钨表面氢（氘、氚）聚集、起泡的动力学过程直接相关。本项目将采用自行研发的钨-氢体系的EAM原子间作用势，采用第一原理、分子动力学等方法研究氢（氘、氚）-缺陷复合体及团簇在钨近表面的聚集、迁移等动力学过程，提出对其控制方法，实现对钨表面氢泡的抑制，为钨基面对等离子材料在未来托卡马克及聚变装置中的应用提供重要理论依据和参考。

在聚变反应堆极端等离子体辐照条件下，氢及氢同位素在面对等离子体材料钨缺陷中大量滞留、聚集，并产生杂质导致等离子体熄灭，聚变反应将无法进行。氢及氢-缺陷复合体在钨表面的产生机制与控制是实现聚变商用的关键科学问题。实验和理论给出钨表面氢泡产生现象和成核初步物理机制，而对于氢如何聚集、起泡以及与缺陷相互作用的机理研究，尤其是大尺度的动力学模拟较少。项目采用自行研发的适于研究聚变辐照条件下钨-氢体系的嵌入原子间作用势，开展多尺度模拟研究钨表面中氢与缺陷的相互作用，得到不同氢-缺陷团簇在钨近表面的聚集、迁移的动力学过程，从微观角度给出氢滞留形核初步长大的具体过程，给出氢与钨表面缺陷相互作用的机理。.我们首先计算钨中缺陷与缺陷团簇相互作用能量和结构演化。同时开发对象动力学蒙特卡洛程序，获得不同温度和缺陷浓度下，钨中氢-空位团簇的分布和比例。在此基础上，研究氦对氢致起泡临界浓度的影响，结果表明氦在一定程度上抑制氢泡形成。进而，利用自演化动力学蒙特卡洛和分子动力学研究钨表面缺陷行为，发现并总结表面点缺陷的扩散各项异性，与实验氢辐照导致表面形貌变化吻合。计算所得钨表面氢热平衡浓度为理解钨表面氢滞留提供新角度和参数。研究钨中位错与缺陷相互作用，给出位错吸收空位的有效范围。开展钨表面氘辐照实验，发现辐照过程中氘与刃位错相互作用是表面起泡的重要因素。综合研究成果，提出根据不同温度钨中氢-空位团簇的组分与浓度以及表面缺陷的分布浓度与温度压强的关系，适当调节辐照温度和环境压强，使钨中氢-空位团簇低于临界起泡浓度。适当调节或掺杂等离子体中的氦浓度以抑制氢与空位的结合，以及从材料角度减少钨中位错、晶界等缺陷浓度，进而减少氢的聚集成核。.本项目提出的对氢及氢同位素-缺陷复合体及复合团簇的控制方法，实现对钨表面氢泡的抑制，为钨基面对等离子材料在未来托卡马克及聚变装置中的应用提供重要的理论依据和参考。.