应力对钨中氢行为影响的第一原理研究

admin · 发表于 2022-9-16 23:19:42

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托卡马克装置是目前最有使用前途的可控热核聚变装置。托卡马克装置以及未来反应堆中材料的选择，是决定聚变能源能否成功应用的关键之一，其中面对等离子体材料(Plasma Facing Material，PFM)的选择尤为关键。钨(W)以其优良特性被视为未来托卡马克聚变堆中最可能全面使用的PFM。然而，W基材料在用作PFM时存在氢(H)等离子体辐照下的表面起泡现象。表面起泡可导致W溅射入等离子体中，成为聚变反应的污染源，影响等离子体的稳定性和PFM的使用寿命。此外，PFM需要承受来自芯部等离子体辐射的热效应和粒子的冲击，因此应力是影响W起泡的一个重要因素。本文应用第一原理计算方法，研究了应力对W中单个H稳定性、扩散性质及H与空位相互作用的影响。研究结果表明，三轴应力不改变单个H原子在W中的占位，单个H依旧倾向于占据四面体间隙位置(Tetrahedral Interstitial Site，TIS)，其在TIS的溶解能较八面体间隙位置(Octahedral Interstitial Site，OIS)低约0.40 eV，且H在W中TIS及OIS的溶解能均随着拉伸(压缩)应变的增大而降低(升高)。H在W中的最佳扩散路径仍为在邻近的两个TIS间直接扩散的路径，且拉伸(压缩)应力使H的扩散势垒降低(升高)。存在单空位时，压缩应力可以使空位所容纳的H原子个数减少。因此，压缩应力可以使H在W中的溶解和扩散变得困难，这将为抑制H在W中的滞留提供理论参考。进一步研究了单轴应力对W中单个H稳定性和扩散性质的影响，单轴应力同样不改变H在W中的占位和扩散路径。

应力对钨中氢行为影响的第一原理研究

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