钨薄膜中氢与缺陷的相互作用及其对薄膜弹性能影响的理论计算研究

可控热核反应堆中的面向等离子体材料（即第一壁材料）服役于极端的环境，在性能上有特殊的要求。目前，金属钨被作为最具前景的可控热核反应堆中的第一壁材料。然而，在钨的服役中，中子的辐射引发核嬗变，在材料中产生氢、氢同位素等，对材料的性能和寿命产生重大影响。本项目采用第一性原理方法详细研究钨薄膜表面区中氢与多种结构缺陷之间的相互作用，揭示环境温度和表面效应对氢在多种不同的结构缺陷处的聚集行为和氢对缺陷边界腐蚀行为的影响。据此，探讨钨薄膜表面附近区域中氢泡空间演化变大的可能形成机理。进一步研究钨薄膜中聚集氢的缺陷对薄膜的弹性性能的影响。本项目的研究将有利于理解一些实验现象，并且为评估钨作为热核反应堆中第一壁材料提供理论参考。因而，本项目对研究可控热核反应堆的第一壁材料具有重要的意义。

以前的研究表明，空位缺陷核晶界处也不容易形成H气泡。相比而言，面缺陷的缺陷区域大，H与W的相互作用中可能形成滞留H的较大空洞。由此，我们主要研究了W的不同晶向表面上存在层错缺陷与H的相互作用，得到了H在W(111)表面和W(110)表面的聚集行为，提出了实验中所观察到的H气泡的可能形成机理。.层错面缺陷包括去掉某个原子层(ISF)和插入某个原子层(ESF) 层错。ISF的形成能相对较低，因此，我们的研究集中于ISF和H的相互作用行为。.在W（111）薄膜表面，ISF层错缺陷从能量上更喜欢出现在表面附近，薄膜中缺陷附近的H很容易向缺陷处迁移，迁移过程中所克服的能量势垒小于0.14eV。相反，迁移到层错缺陷处的H却很难有机会脱离缺陷，至少克服1.24eV的能量势垒。于是，缺陷附近的H不断被层错缺陷所捕获。被缺陷捕获的H很容易在层错缺陷中迁移，相应的能垒不超过0.26eV。随着在层错缺陷中滞留的H数目的增加，缺陷处的W-W的键长也不断变弱。当层错缺陷中的H的容量达到3.4×1015cm-2,缺陷处的平均W-W键长超过3.4Å（比没有H时层错处的W-W键长拉长约27%）。这时，层错间的W-W几乎没有相互作用，H的聚集使W(111)层错断裂，更多H的聚集最终造成H气泡在W薄膜中层错缺陷处形成。.处于高温高辐照下的第一壁材料不可避免地存在着应力。由此，我们研究了应力对W（111）薄膜表面附近的层错缺陷与H的相互作用的影响。研究发现，在均匀压应变时，拉伸应变有利于H在体系中迁移。在非均匀拉伸应变下，H的纵向迁移有一定的优先性。.我们也研究了H在W(110)表面附近层错中的迁移行为。当W（110）表面存在层错缺陷时，H也很容易从缺陷附件的空隙中迁移到缺陷中，所克服的能量势垒不超过0.24eV。同样，H在层错缺陷中迁移时所要克服的能量势垒不超过0.12eV。由此，H同样可以在W（110）表面的层错处形成H气泡。随着缺陷处聚集的H原子的增多，我们发现W（110层错缺陷处的W-W键断裂，并有H2分子出现。.通过研究发现，W（111）和W（110）表面附近层错缺陷都是形成H气泡的可能成核点。H气泡的形成严重影响了第一壁材料W的弹性能和热传输性质。由此，我们目前正在研究如何抑制W材料中H气泡的形成。