聚變堆材料中氫、氦及嬗變原子微觀行為模擬研究獲進展

　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員劉長松課題組與中科院合肥研究院等離子體物理研究所、中科院近代物理研究所合作，圍繞聚變堆面向等離子體材料和結構材料中氫、氦和嬗變原子的微觀行為開展了理論模擬研究并取得系列進展。該系列工作對從微觀上理解材料中氫、氦和嬗變元素的行為并認識氫、氦泡和偏聚物的形成機制具有重要意義。相關研究成果發表在Nuclear Fusion上。

　　聚變服役環境下，面向等離子體材料鎢或結構材料碳化硅，均受到高能中子的輻照。高能中子輻照使材料內產生大量的自間隙和空位點缺陷，并與材料作用發生嬗變反應，產生大量的氫和氦嬗變氣體原子和嬗變金屬元素（鎢的嬗變元素包括鉭、錸和鋨等）。氫、氦和嬗變元素與材料中缺陷相互作用，可分別形成氣泡和偏聚物，引起材料脆化、腫脹和硬化，導致材料的力學性能下降，并影響聚變堆的安全和穩定運行。因此，從微觀上研究材料中氫、氦和嬗變元素的行為，了解氫、氦泡和偏聚物的形成機制至關重要。然而，氫、氦和嬗變元素與材料相互作用的微觀機制至今尚不清楚。為此，科研人員采用密度泛函理論、集團展開及分子動力學等方法，以聚變堆中面向等離子體材料鎢和結構材料碳化硅為對象，系統研究了氫、氦和嬗變元素的微觀行為以及它們對輻照缺陷演化的影響。

　　研究發現，氦傾向于在鎢（110）層間形成密堆積的二維單層結構。氦在鎢中聚集降低其近鄰格點的穩定性。當聚集的氦原子數超過6個時，其近鄰格點原子可自發發射而產生空位，進而空位作為捕獲阱促進氦的聚集，引起格點原子的再次發射，以此級聯并導致氣泡的形成。該研究結果解釋了實驗上發現的在低能氦離子輻照下鎢中產生大量氣泡的原因。對于聚變堆中結構材料碳化硅，在高能中子輻照下產生的空位團簇會成為氫的捕獲阱而導致氫聚集。在單空位和雙空位團簇中都發現了氫分子的形成。氫的聚集也會降低其近鄰格點原子的穩定性，進而發生級聯反應，最終產生氣泡。

　　此外，理論模擬研究發現，在高能中子輻照下鎢中的嬗變金屬元素則表現出更為復雜的偏聚行為。如：（1）在理想的鎢塊體中嬗變元素鋨易形成偏聚物，鉭、錸則需要在極高濃度下才可以形成偏聚物；（2）鎢中的輻照缺陷可促進錸和鋨的偏聚，但鉭在即使存在輻照缺陷條件下仍然無法偏聚；（3）在輻照缺陷處鋨可促進錸偏聚物的形成，而鉭則可抑制錸和鋨偏聚物的形成。這些理論研究已被證實。科研人員通過理論模擬研究證實，錸和鋨在輻照空位處的偏聚反過來會降低空位的遷移速率，進而降低空位的密度并抑制空洞的形成。該研究解釋了在鎢中添加錸可極大抑制空洞密度的微觀原因。

　　上述研究工作得到國家磁約束核聚變能發展研究專項、國家自然科學基金等項目和中科院的資助。