固體所在面向等離子體鎢基材料氫氦效應研究中獲進展

近期，中科院合肥物質科學研究院固體物理研究所科研人員通過與等離子體所及近代物理所科研人員的合作，在面向等離子體鎢基材料氫氦效應的計算模擬研究方面取得新進展。相關研究結果發表在聚變領域期刊《核聚變》（Nuclear Fusion）和《核材料》（Journal of Nuclear Materials）上。

鎢基材料由於具有高熔點、高濺射閾值、低氚滯留、低熱膨脹係數等優點，成為國際熱核聚變堆最有希望的面向等離子體材料（PFM）。在聚變服役過程中，PFM在強束低能H/He離子流的輻照下引起結構顯著變化（如H/He聚集、長大起泡甚至形成表面納米絲狀結構），從而降低PFM表面熱導率，增大表面熔化蒸發和芯部污染的可能性。另一方面，鎢在中子輻照下會嬗變一些新元素Re, Os和Ta等；同時添加合金元素（Re，Ta，Os，Ti和V）可以有效改善其脆性和硬度。因此，鎢中嬗變/合金元素與He之間相互作用方面的研究顯得尤為重要。固體所研究人員基於第一性原理計算研究16種元素（包括常見嬗變/合金元素）與He之間的相互作用以及He在雜質元素周圍的擴散性質。研究發現，間隙原子（Be，C，N和O）對He的捕獲半徑是替代原子的2倍，其對He的捕獲效應更為顯著。而替代原子與He之間的結合能正比於He原子所在位置的電荷密度，即He更易在電荷密度較低處聚集（見圖1）。擴散計算表明Re/Ta處He的遷移與擴散行為幾乎不受影響；而Os，Ti和V對He有明顯的捕獲作用。對比分析表明，相比於Ti，Os，Re和V等元素，Ta更適合作為鎢的合金元素，這為高性能鎢合金的設計提供了新思路。相關研究結果發表在 《核聚變》（Nuclear Fusion, 2013, 53, 073049）上。


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