位错和杂质偏析对W中H扩散影响的紧束缚模型研究

As a promising candidate of Plasma-Facing Materials (PFMs) of the nuclear fusion, tungsten (W) is intensively investigated. H isotope (D/T) retention caused by defects and impurities results in the performance degradation of W-based PFMs. For deeply understanding the degradation mechanism, it is very important to investigate the microstructures of the defects in W, and their interaction with D/T retention on the atomic/electronic scale. The demand to describe the defects could be satisfied by employing a highly efficient, highly transferable interatomic potential model. In this project, we will develop a tight-binding model for W-C-H system. Based on this model, we will investigate the interaction between screw dislocation, point defects, C impurity and H atoms in W, as well as the segregation behavior of them along the dislocation line. Through the molecular dynamics simulation, we will explore the effects of screw dislocations with different microstructures on H diffusion and retention in W. At the same time, we will elucidate the nature of the interaction between dislocation, C impurity and H by using the chemical bonding analysis based on the electronic orbital interaction. With the financial support of the project, we will build a parameter database of the tight-binding model for W-based PFMs. The results will shed light on the mechanisms of the radiation damage of W-based PFMs, and provide a guide for the material design and performance improvement.

W作为受控核聚变反应堆中最有潜力的面向等离子体材料受到广泛研究。W体内的缺陷、杂质与H同位素(D/T)的相互作用不仅导致D/T滞留,还引起材料性能退化。在原子/电子层次研究缺陷微结构性质以及它们与D/T滞留的关系对深入理解W基材料性能退化有重要意义。高性能、高通用性的原子相互作用势模型是缺陷研究必不可少的计算平台。本项目将建立W-C-H三元系统的紧束缚模型,并基于这个模型研究W中点缺陷、C杂质和H原子与螺位错的相互作用以及它们的偏析规律；然后通过分子动力学模拟计算不同位错微结构对H扩散和滞留行为的影响。同时,通过化学键分析方法,从电子轨道相互作用的角度分析和归纳位错、C杂质和H原子相互作用的规律和物理机制。本项目将建立面向等离子体材料缺陷研究的紧束缚模型势参数数据库，研究结果将有助于深入理解W基面向等离子体材料的辐照损伤机制,并为新材料设计和改进提供指导。

W作为核聚变反应堆中面向等离子体材料被广泛研究。W体内的缺陷、杂质与H/He的相互作用导致D/T/He滞留，引起材料性能退化。为了研究W缺陷的微观结构和性质，理解缺陷、杂质与H/He相互作用的微观机制，原子尺度的模拟软件成为必不可少的研究工具之一。为了在通用性、准确性和计算效能之间取得平衡， 需要发展基于紧束缚近似的原子间相互作用模型。为此，本项目围绕缺陷性质和发展新方法开展工作，取得如下成果。.（1）发展W-C-H-He四元系统的环境依赖紧束缚模型.（Environment-Dependent Tight-Binding potential models (EDTB), Cai-Zhuang WANG etal., Handbook of Materials Modeling, ed S. Yip, Netherlands, Springer, 2005, pp. 307.）.在原EDTB模型中，提出新的键长标度泛函形式，解决异种原子间的有效相互作用问题，增强模型的通用性。目前已完成W-W、C-C、H-H和He-He的EDTB模型参数的优化工作。.（2）研究W中点缺陷、C杂质和H/He与螺位错的相互作用规律.A.发现W中½[111]{110}螺位错具有多态位错核结构.除已报道的非极化位错核结构外，还存在两种简并的极化位错核和一种扩展位错核结构。多态位错核结构有可能揭示W中新的塑性形变机制。.B.发展声子能带反折叠方法和程序.该方法优于常用的PHONOPY程序包，可以研究粒子数非公度系统(点缺陷，重整化表面等)和超包/原包几何结构非公度系统，同时引入权重简并度描述声子能带退简并过程。该方法已用于W中“空位-杂质”复合缺陷辅助的C偏析的动力学稳定性研究。.（3）发展化学键分析方法，用直观的化学语言阐述缺陷的热力学稳定性.在研究W中广义堆垛层错（Generalized Stacking Faults, GSF）过程中发展一套化学键分析方法，并与法国科研中心CIMAP实验室的Pierre RUTERANA教授（实验工作）合作，成功将该方用于GaN/ZnO晶界原子结构辨析，阐述晶界的热力学稳定性。..本项目继续进行W-C、W-H/He和C-H/He的EDTB模型参数，尽快将已获得的研究成果整理发表。