高能粒子辐照下摻杂氮的第一壁钨材料的力学、导热和氢同位素滞留行为的紧束缚理论研究

The interaction of the nitrogen at the plasma edge in the fusion reactor with the first wall W material causes parts of the W material to be nitrided, forming WN compounds. Surprisingly, the isotope deuterium retention of hydrogen isotope in the formed WN compounds in the first wall is significantly lower than that in the pure tungsten, and the retention of deuterium decreases with increasing N content. We in this proposal will develop a tight-binding molecular dynamics approach to study in detail the structural characteristics, mechanical properties, thermal transport properties, migration and retention behavior of D and T in the WN compounds under high-energy particle irradiation, revealing the relationship between the retention behavior and several factors such as the content of N in the system, the microstructure of WN compounds and the vibration mode. At the same time, the process of some atoms ejected from the surface of the WN compounds is systematically studied. . Based on the research of this project, we may not only gain deep understandings on the relevant experimental phenomena, but also evaluate the tolerance of the WN compounds to the extreme environment in the reactors. In addition, our research in this project might be valuable to synthesize the optimal properties of WN materials in experiment.

由于聚变堆中等离子体边缘处的氮与第一壁钨（W）材料相互作用，导致部分W材料氮化成WN化合物。令人惊奇的是第一壁中的WN化合物内氢的同位素氘滞留量显著低于在纯钨中的滞留量，并随氮含量的增加氘的滞留量减少。本项目拟发展紧束缚分子动力学方法，详细研究在高能粒子辐照下第一壁中WN化合物的结构特征、力学性能、热输运性能、氘和氚的迁移和滞留行为，揭示其迁移和滞留行为与体系中氮含量、WN化合物微结构和特定晶格振动模的内在关联。同时研究WN化合物表面原子被溅射离开表面的物理过程。. 本项目的研究不仅要深入解释相关的实验现象，而且为评估第一壁中WN化合物对反应堆环境的耐受性提供参考。此外，为寻找出可显著改善WN材料综合性能的W与N浓度提供参考。

为了降低聚变堆中等离子体在壁材料处的温度，实验上引入了氮气。氮与第一壁钨（W）材料相互作用，在W表面形成WN化合物。由于WN化合物种类繁多，我们需要研究WN化合物的结构，以及典型WN化合物中H的行为，探讨WN化合物的力学性能、热输运性能、抗辐照损伤性能等。.按计划，我们发展了W-N、N-H、W-H紧束缚势模型。我们超出了研究计划，加入了He与W的相互作用。为研究W基第一壁材料中H和He的行为提供了新的理论计算方法。. 我们研究了多种WN化合物的力学性能，发现一些氮化钨的体弹性模量明显高于多晶W的体弹性模量，其中，W1N1的体弹性模量最高。研究了W2N1、W1N1和W2N3中H的溶解、迁移和滞留行为，发现在相同条件下，比起溶解在晶体W中，H原子更趋向于溶解在WN化合物中；层状WN化合物中致密的原子层可以阻碍H在整个体系中迁移；溶解在这些复合物空位中的多个H，不会形成H2分子。我们的计算结果初步揭示了H与WN化合物相互作用的机制，这将有利于解决W基材料上H的滞留和腐蚀问题。. 我们的计算显示氮化钨表面具有良好的耐溅射性。其中，W1N1的富氮（001）表面的耐溅射性优于纯钨。我们的工作不仅揭示了WNx表面的抗溅射性能，还显示了氢对WNx耐溅射性能的影响。详细研究了这三种化合物及其含有空位缺陷、填隙原子在有限温度下的电子输运性能，给出了缺陷浓度和温度对电子输运性能影响的规律。. 我们预测了一种内部具有纳米级通道的W24N48晶体，并研究了它与氢之间的相互作用。我们发现吸附在晶体中的氢原子与新进入的氢原子反应形成氢分子。这些新形成的H2分子可以容易地在W24N48中的纳米通道移动。因此，这种新的W24N48材料嵌入PFM表面的WNx膜中时，纳米通道将有助于除去和回收PFM中的氢同位素。.我们从理论上研究了三维W1N2体系平带的性质，揭示了产生平带的物理机理。. 本项目的研究不仅要深入解释相关的实验现象，而且为评估第一壁中WN化合物对反应堆环境的耐受性提供参考。