面向等離子體鎢材料中氫氦氣泡形成研究獲進展

　　近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所內耗與固體缺陷實驗室科研人員與合肥研究院等離子體物理研究所和中國科學技術大學科研人員合作，在面向等離子體材料鎢中氫氦氣泡成核和生長機制研究方面取得新進展，相關科研成果發表在聚變領域權威期刊《核聚變》（Nuclear Fusion）上。

　　體心立方鎢具有高熔點，良好的抗中子輻照和抗濺射腐蝕等優點，被選為國際熱核聚變實驗堆（ITER）的面向等離子材料。來自芯部等離子體（D-T聚變反應）中的氫同位素和氦離子在材料中的行為往往導致面向等離子體材料的失效。科研人員使用密度泛函理論方法研究了金屬鎢中氫和氦氣泡的成核和生長機制，發現氫原子很難在鎢的間隙位置聚集，而氦原子傾向于在鎢（110）層間聚集形成密堆積的單層結構（見圖1）。結合能計算進一步證明了單層結構形成的可能性（見圖2）。氦單層可能為實驗上觀察到的扁平狀氦氣泡的初始構型。由于局域應力的存在，當氦原子數超過5時，氦單層的近鄰可能發射自間隙原子而形成弗蘭克爾缺陷對。

　　此外，基于質量反應定律（the law of mass action），科研人員計算了空位-氫復合體濃度隨溫度的變化關系（見圖3），該結果表明在ITER的服役溫度（1000K）附近，空位-氫的復合體大量存在，相比之下空位-氦則更加穩定。研究還表明，氫和氦在空位中的聚集促進了空位與空位之間的結合。因此，氫和氦氣泡可以通過以下兩種方式成核和生長：（1）空位捕獲氦原子，當氦原子濃度達到閾值時，空位周圍發射一個自間隙原子，長大的空位再捕獲氦原子再發射自間隙原子直到氦氣泡的形成。（2）氫和氦原子在空位中的占據，促進了空位的聚集從而形成空位團簇，而氫和氦在該空位團簇中聚集導致氫和氦氣泡的形成。該研究成果為理解面向等離子材料中氫氦行為和氫氦氣泡形成機制等方面提供了新思路。相關研究結果發表在Nuclear Fusion 54, 103007（2014）。

　　上述研究工作得到科技部國家磁約束核聚變能發展研究專項、國家自然科學基金委和中國科學院的支持。