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面向等離子體鎢材料中氫氦氣泡形成研究獲進(jìn)展

中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所內(nèi)耗與固體缺陷實(shí)驗(yàn)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(xué)技術(shù)大學(xué)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(jī)制研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)科研成果發(fā)表在聚變領(lǐng)域權(quán)威期刊《核聚變》( nuclearfusion)上。

體心立方鎢具有高熔點(diǎn)、良好的抗中子輻照和抗濺射腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被選為國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(iter)的面向等離子材料。來自芯部等離子體(d-t聚變反應(yīng))中的氫同位素和氦離子在材料中的行為往往導(dǎo)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(jī)制，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)。結(jié)合能計(jì)算進(jìn)一步證明了單層結(jié)構(gòu)形成的可能性。氦單層可能為實(shí)驗(yàn)上觀察到的扁平狀氦氣泡的初始構(gòu)型。由于局域應(yīng)力的存在，當(dāng)氦原子數(shù)超過5時(shí)，氦單層的近鄰可能發(fā)射自間隙原子而形成弗蘭克爾缺陷對。

此外，基于質(zhì)量反應(yīng)定律(thelawofmassaction)，科研人員計(jì)算了空位-氫復(fù)合體濃度隨溫度的變化關(guān)系，該結(jié)果表明在iter的服役溫度(1 000 K)附近，空位-氫的復(fù)合體大量存在，相比之下空位-氦則更加穩(wěn)定。研究還表明，氫和氦在空位中的聚集促進(jìn)了空位與空位之間的結(jié)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(dāng)氦原子濃度達(dá)到閾值時(shí)，空位周圍發(fā)射一個(gè)自間隙原子，長大的空位再捕獲氦原子再發(fā)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(jù)，促進(jìn)了空位的聚集從而形成空位團(tuán)簇，而氫和氦在該空位團(tuán)簇中聚集導(dǎo)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(jī)制等方面提供了新思路。