氢在钨中的扩散机制和氢致起泡的动力学研究

金属钨（W）因其高熔点、高热导率和低溅射率等特性成为核聚变托卡马克装置及未来反应堆面对等离子体材料（PFM）的重要候选材料。W的氢致起泡直接影响到等离子体稳定性并降低PFM使用寿命，是W作为PFM首要解决的问题。本项目在已建立的适用于W中氢致起泡研究的W-H原子间相互作用势基础上，继续建立W-He原子间相互作用势；应用这些作用势采用分子动力学方法研究W中H与空位型缺陷（含空位和空位团簇）的相互作用，计算W中导致空位形成的H临界浓度和不同温度下形成H分子的空位型缺陷临界尺寸，模拟W中H的扩散、聚集、滞留和微观成泡的动力学演化过程，考察氦对这些演化过程的影响，籍此揭示W中氢致起泡的微观物理机制并提出可能的抑制氢泡形成方法，为钨基PFM的制备、设计和使用提供重要的理论参考依据。

钨（W）具有高熔点、高热导率、溅射率低的特点成为核聚变装置中面对等离子体材料（PFM）重要候选材料。本课题针对W在氢（H）/氦（He）等离子环境下的氢致起泡所面临的实际问题开展研究，具有重要的理论和实际意义。现将本课题取得的成果汇报如下：.1、成功开发了适应于包括缺陷在内的W-H-He体系键级势形式和嵌入形的原子间相互作用势函数，为本课题打下了基础，也为国际上W-H-He体系的研究提供了参考。.2、为了更好地理解H/He聚集行为，研究了H/He在W中及W表面的扩散特性，弄清了H/He在W中的机制：低温下H/He是以四面体间隙-四面体间隙形式扩散，高温下则为四面体间隙-四面体间隙和四面体间隙-八面体间隙-四面体间隙的混合间隙模式扩散。.3、研究分析得到了W中H/He行为及H/He泡形成机理，即氢泡和氦泡的形成均经历“H/He-空位团簇形成H/He捕获空位捕获更多的H/He捕获”的形成和长大过程。但由于H/He在电子结构上的差别，氢泡形成需要较高的H浓度，并且H达到一定浓度时，H将不能够与H-空位团结合；而氦泡则趋于自发形成。研究发现He团簇在W体内的长大过程伴随自间隙环的发射和捕获现象，研究了He团簇在W表面的长大过程，得到了He团簇在表面成核与长大的深度效应。.4、研究了W中存在H而形成空位的过程，得到了H致空位的形成机制，即，当W中H原子达到一定浓度后，发现了W原子会形成六边形自间隙团簇，确认了H会导致W中空位的产生。.5、研究了H在W晶界中的行为及对晶界运动的影响：研究得出，H对晶界的迁移起阻碍作用，且在高于一定浓度之后会促使晶界处结构向无序化发展，严重阻碍晶界的运动，虽然高温可以缓解这个效应，但仍然会使晶界迁移的能垒增加1-2倍左右，因此可以说H的存在不利于晶界消除材料内部的缺陷。.本课题研究期间共发表了16 篇SCI 论文；参加国际会议8人次，国内会议6人次，进行了卓有成效的学术交流；项目培养博士研究生4 名，硕士生1名。