钨中氦团簇迁移和融合行为的分子动力学研究

One of the main problems to realize the fusion energy is the plasma facing material in the tokamak and the future reactor. In the fusion environment, the inner wall is affected by the irradiation of high energy neutrons, hydrogen and helium plasma, and the impact of high heat flow, which results in a large number of vacancy defects in the inner wall material, and the aggregation of hydrogen and helium. The change of the microstructure of the material leads to the rapid deterioration of the material properties (mechanical properties, thermal conductivity), ultimately affect the stable operation of the reactor. The helium dissolved in tungsten could gather together by self trapping, and then diffusion and fusion together. The retention depth of helium is related to the irradiation energy and the substrate temperature. In this study, the molecular dynamics simulation method is used to study the diffusion behavior of helium clusters in tungsten, as well as the influence of irradiation energy and temperature on the helium retention depth. The research results will provide theoretical guidance and reference for the research and development of high performance radiation resistant plasma facing materials.

“托卡马克”及未来反应堆中的面对等离子体材料问题是聚变能最终实现的主要问题之一。在聚变环境下，内壁会受到高能中子、氢和氦等离子体的辐照以及高热流的冲击，这导致内壁材料中产生大量空位缺陷和氢/氦的聚集起泡。材料微观结构的改变导致材料性能迅速劣化（力学性能降低、热导率下降等），最终影响反应堆的稳定运行。溶解在钨中的氦能够通过自捕获聚集成团并扩散融合，氦的滞留深度与辐照能量和钨衬底温度有关。本项目使用分子动力学方法研究钨中氦团簇的扩散融合行为，以及辐照能量和温度对氦滞留深度的影响。研究结果将为研发高性能抗辐照面对等离子体材料提供理论指导和参考依据。

“托卡马克” 及未来反应堆中的面对等离子体材料 (PFM) 的问题是制约实现聚变能商业化的重要问题之一。在聚变环境下, PFM 会受到高能中子、氢 (H) 和氦 (He) 等离子体的辐照以及热能流的冲击，这导致作为内壁材料 的钨中产生大量空位缺陷, H、He 的滞留、聚集、表面起泡等问题。特别是对于氦，He 离子的辐照会导致 W 表面上形成绒毛状纳米结构，这会降低钨的力学性能 (韧性) 和热导率，从而极大地降低了 PFM 的使用寿命。为了延长钨的使用寿命，有必要了解钨中氦的行为。钨中的氦能够通过自捕获聚集成团并长大成氦泡, 研究钨中氦泡的迁移和融合行为对理解绒毛状纳米结构的形成机制至关重要. 然而到目前为止, 这些问题尚缺乏系统研究。.本项目结合第一原理和分子动力学方法系统研究了钨中位错环的迁移和旋转行为; 氦团簇在钨中的最稳定构型和氦泡的形状; 不同温度下氦团簇与钨自间隙原子之间相互作用的尺寸效应; 氦泡的迁移和融合行为; 提出了钨表面 fuzz 结构的形成机制. 我们发现位错环的滑移能垒都非常低, 且与位错环的大小无关, 而位错环的旋转能垒较高, 且与位错环的大小正相关; 获得了氦团簇在钨中的最稳定构型, 发现氦团簇倾向于形成一个近球形多面体; 较大的位错环更稳定, 氦团簇的稳定性以及其与位错环的结合强度随着氦团簇的尺寸增大而提高; 氦团簇可以迁移并被氦泡捕获, 但在不同温度下的捕获行为不同: “低温时, 氦团簇倾向于被捕获在氦泡周围; 高温时氦团簇倾向于直接被氦泡捕获吸收.” 我们认为表面吸引氦泡加速了氦泡的长大和破裂, 而岛状结构的形成进一步增加了表面的面积, 两种因素的协同作用下最终导致钨表面 fuzz 的形成. 我们提出的机制是合理可信的, 因为这种机制可以解释目前实验观测到的各种现象. 我们的结果能够为第一原理计算和更大尺度上的模拟, 以及研发高性能抗辐照面对等离子体材料提供重要的理论指导和参考依据.