钨纳米丝中氦泡的形核与释放机理研究

Energy crisis is increasingly serious and the fusion energy has been paid more attention nowadays. Tungsten has been considered to be a leading candidate of plasma-facing materials (PFMs) in future fusion reactors because of its high melting point, low sputtering yield and low tritium retention. It has been reported recently that the nanostructured tungsten (or fuzz) is formed on the tungsten surface by low-energy helium plasma irradiation. These damages will cause the degradation of physical and chemical properties of the tungsten PFMs surface, which may seriously affect the safe and stable operation of future fusion reactors. Therefore the formation mechanism of low energy helium plasma induced fuzz on tungsten surface and its impact on the performance of PFMs are the subjects of great concern. In the present proposal the nanowire samples with helium atoms will be used to model the structure of the tungsten fuzz. High-precision many-body atomic interaction potentials for W-W and W-He will be constructed with the modified analytic embedded-atom method developed in our group. A new kinetic Monte Carlo method will be improved for the nucleation and diffusion of helium bubbles. First-principles calculations, molecular dynamics and kinetic Monte Carlo simulations will be used to study the diffusion properties of helium, the nucleation mechanism of helium cluster, and the coarsening and evolution processes of helium bubbles in the tungsten nanowires. The simulations will also be carried out to examine the release behaviors of helium bubbles in tungsten nanowires and the physical mechanism of retraction or disappearance of tungsten nanowires under certain experimental conditions. The present proposal will help further the optimization of the microstructure of tungsten-based PFMs, the weakening and even suppression of the formation of the nanostructured tungsten surface.

当今能源危机日益严峻，核聚变能的研究越来越受到人们的重视。钨以高熔点、低溅射刻蚀率和低氚滞留等优良特性而被视为未来聚变反应堆中最可能全面使用的面向等离子体材料(PFM)。实验发现低能氦等离子的辐照将诱导钨表面形成纳米丝状结构，其中含有纳米级的氦泡。钨表面纳米丝状化将改变钨PFM表面的物理和化学性质，可能严重影响未来聚变反应堆的安全稳定运行，因此关于钨纳米丝状结构的形成机理及其对PFM性能的影响是人们十分关心的课题。本项目将以钨纳米丝模型为研究对象，构造高精度的原子间相互作用势函数,改进和发展新的动力学蒙特卡洛模拟方法，系统研究钨纳米丝中氦原子的扩散特性、氦团簇的形核机理、氦泡的融合长大过程以及氦的释放行为，探讨氦对钨纳米丝微观结构的影响，以及钨纳米丝形成、回缩或消失的微观机理。本申请项目对进一步优化钨PFM的微观结构，提出减弱甚至抑制钨基材料表面纳米化的有效对策等方面具有重要指导作用。

因为具有高熔点、低溅射刻蚀率和低氚滞留等优良特性，钨基壁材料被视为未来聚变反应堆中最可能全面使用的面向等离子体材料(PFM)。低能高束流氦等离子体在钨表面辐照诱导形成纳米丝状结构，将改变钨PFM表面的物理和化学性质，可能严重影响聚变反应堆的安全稳定运行，因此相关研究工作具有十分重要的意义。（1）在本项目中，我们先使用密度泛函理论方法研究了惰性气体原子（He、Ne和Ar）及其团簇在金属钨块体中的占位和扩散等特性，在此基础上应用s-band模型自主构建和优化得到了高精度的W-He/Ne/Ar原子间相互作用势函数。（2）基于新构建的W-He/Ne/Ar势函数，应用分子动力学方法系统研究了钨块体材料中He/Ne/Ar原子的扩散和形核过程，发现在W块体中，Ne/Ar原子具有比He原子更大的扩散势垒和更小的扩散系数，更小的Ne/Ar团簇就可使W发射自间隙原子而自己被钉扎。（3）研究发现在W块体中形成的Ne/Ar团簇或泡尺寸更小，不能激发位错环的发射；而He原子在W中却极易扩散迁移（扩散势垒仅为0.06eV），容易形成较大的氦泡，并发射1/2<111>间隙型位错环，在W表面形成凸起堆垛，这可能是He等离子体辐照能够而Ne/Ar不能够使W表面出现纳米丝结构Fuzz的原因之一。(4) 研究了W纳米丝状结构中He原子扩散、He团簇形核、He泡长大、位错环发射以及He原子的释放和滞留特性，发现绝大部分的He原子是从W纳米丝侧面释放出来，这很大程度上降低了He在W丝中的残留量；近表面的氦团簇尺寸大到一定程度后会通过一条可以自愈合的通道释放出来He原子，从而减少He团簇内的He原子数量，这可以解释最近发现的钨纳米孔道材料抗辐照能力增强的实验结果。（5）我们也构建了Fe-He/Mo-He/V-He/Ni-He/W-Re/W-Os等一系列核材料领域的势函数，用于研究核材料的辐照损伤和氦效应，丰富了计算模拟势函数数据库，促进了相关研究工作的发展。