钨中氢/氦起泡的温度效应机制理论研究

聚变能源被视为人类的终极能源。托卡马克装置及未来反应堆中的关键材料问题是聚变能最终实现的主要问题之一，其中面对等离子体材料 (PFM) 的选取尤为关键。钨（W）被视为是托卡马克装置及未来反应堆中PFM的最有希望的候选材料之一。W中氢/氦致起泡直接影响等离子体稳定性并降低它本身的使用寿命，氢/氦在W中起泡的温度机制已经成为目前急需研究的关键科学问题。本项目应用第一原理与热力学统计物理模型相结合的方法，在原有工作基础上，系统研究W中氢/氦与空位、晶界的相互作用和稳定性，氢和氦的协同效应，计算氢在不同化学势的情况下间隙氢、及氢-空位复合物的浓度，间隙氦、及氦-空位复合物的浓度等，试图揭示聚变等离子体环境下W中氢/氦致起泡的温度物理机制。为核聚变装置中PFM的设计、制备和应用提供有效参考依据。

聚变能最终实现的主要问题之一是托卡马克装置及未来反应堆中的关键材料问题的解决，这其中面向等离子体材料 (PFM) 的选取最为关键。W被认为是PFM的最有希望的候选材料之一。然而，W中氢/氦起泡直接影响等离子体稳定性并降低它本身的使用寿命，其中氢/氦在W中起泡的温度机制已经成为目前急需解决的关键科学问题。本项目采用第一原理结合热力学统计物理模型的方法，系统研究了W中氢/氦与空位、晶界的相互作用和稳定性，氢和氦的协同效应，计算氢/氦在不同化学势的情况下间隙氢/氦、及氢/氦-空位复合物的浓度，揭示了聚变等离子体环境下W中氢/氦起泡的“温度效应”物理机制。结果表明，氦泡在钨中初步成核的温度为T=1600 K，与实验值基本一致。同时我们也给出了在该温度下He-空位复合物的临界浓度，并且这是氦泡初步成核的临界浓度。即只要温度超过T=1600 K，氦泡就能形成，之后小的He-空位复合物生长为大的He-空位复合物，而大的He-空位复合物又不断吸引间隙氦形成更大的宏观上观察到氦泡；对于氢，我们得出了氢在温度等于或高于T=900 K时氢和空位从H-空位复合物中分离，即当温度超过超过T=900 K时，H-空位复合物名存实亡。即临界上线温度为T=900 K，低于这个临界温度，氢泡形成；高于这个临界温度，氢泡消失。此时的临界温度900 K与实验值定量一致。同时，我们对研究内容进行了拓展，在上面基金内容的基础上又进一步调查了杂质碳、氮及氧对氢/氦在W中行为的影响。这些研究结果为核聚变装置中PFM的设计、制备和应用提供了大量的参考数据。在该基金资助下，共发表SCI收录论文17篇，其中与该结题项目直接相关的研究成果10篇，被该基金资助的其它与H/He相关的成果7篇。