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题目：
雅宝题库答案：
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雅宝题库解析：
核聚变能是潜在的清洁安全能源。磁约束托卡马克是目前最有可能实现受控热核聚变的方法，而托卡马克装置及未来反应堆中的关键材料题目是磁约束聚变能实现的瓶颈题目。其中面对等离子体材料（PFM，Plasma-Facing Material）的选择尤为关键。钨基材料以其高熔点、低物理溅射率、不与氢（H）发生化学刻蚀以及低的H滞留等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，钨基材料存在着由H等离子体引起的起泡（Blistering）题目。起泡能直接导致表皮喷射进托卡马克等离子体而影响等离子体的稳定性、并将导致PFM的寿命缩短。本文应用量子力学第一原理方法，围绕有可能造成钨（W）中H起泡的因素，研究H在W的占位、聚集和扩散行为，试图揭示钨基材料在H等离子体辐照下起泡的微观物理机制。 利用第一原理拉伸试验研究了H对W单晶力学性能的影响。与本征W单晶相比，含H体系的W单晶理论拉伸强度在较弱的[001]方向上降低了~7%，表明H的存在将降低W单晶的理论强度。由此可以推断：W中的氢泡将会对W的力学性能产生更大的影响。因此弄清氢泡在W中的形成机制非常重要。 在此基础上，我们进而研究H在W中的占位、聚集和扩散行为。H在W中易于占据四面体间隙。2个H原子将沿着方向排列，结合能仅为0.02 eV，表明2个H原子之间存在很弱的吸引作用；而其平衡距离为2.22 Å，远大于自由H分子的键长0.75 Å，因此本征W中很难形成H分子。 进一步我们考虑了空位存在的情况。空位能够提供一个最佳电子密度（optimal electron density），使得大量的H原子向空位偏析，结合在其内表面。计算表明，一个单空位可以容纳10个H原子，并在空位中心形成H分子。这可以认为氢泡的初步成核。我们给出了形成H分子的临界浓度0.13H/Å2，即1019-1020H/m2。氢泡形成的空位捕获机制可以推广到其它缺陷和其它金属及合金的情况。 杂质一般被认为是W中H的捕获源。我们以碳（C）为例，研究了杂质对于W中H行为及成泡机制的影响。W中C和空位之间存在很大的结合能（1.93 eV），容易形成碳空位复合物（CnV，n=1,2,3,4）。在这些CnV复合物中，C2V在W中最稳定。C的存在改变了空位周围的电子密度分布，从而降低了H与空位的结合，对H的聚集将产生抑制作用。由此可以推断，在W中其它容易与空位结合的杂质元素如O、N及He等同样可以抑制H的聚集。这实际上改变了我们一般认为的杂质是氢泡形成源的看法。 本论文给出的W中氢泡形成空位捕获机制等研究结果将为提出抑制氢泡形成方法奠定重要的理论基础。 |
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