● 摘要
本论文主要对聚变堆面对等离子体材料（Plasma Facing Materials, PFMs）候选材料钨（W）进行研究。在聚变环境下，W受到低能大束流等离子体的辐照而引发的表面起泡问题，将影响等离子体稳定性，并导致PFM寿命缩短。关于氢泡的产生原因，现有的理论研究提出了氢泡成核的空位机制，认为W中的氢（H）原子将根据最佳电子密度规则首先饱和空位型缺陷的内表面，在达到一定临界密度时形成H2分子进而聚集成泡。然而W中空位的平衡浓度极低，因此使得氢泡成核的空位是如何产生，以及空位产生后如何长大，仍旧是一个未解的难题。本论文采用分子动力学模拟方法，对这一问题进行了深入探究，首先研究了入射到W表面的H原子的行为，揭示了W中的H原子导致空位形成的过程与机制，探究空位与H的相互作用，并进一步研究了H致空位/空位团簇的长大。
从聚变条件出发研究等离子体与W的相互作用，最直观的方法是直接模拟H原子同W表面的相互作用。本论文中首先获得了H原子从W(001)和W(110)表面进入W内部所需的势垒，并进一步采用随机角度入射与垂直入射两种方式，模拟了低能（<100 eV）的H原子以不同能量入射到不同W表面的过程。我们对H原子与表面相互作用后的反射率、植入率，以及吸附率随入射能量的变化进行了研究，并获得了H原子在不同条件下的入射深度信息，且对垂直入射情况下W(001)表面的沟道效应进行了研究。对入射后的表面体系进行缺陷分析显示，低能入射的H原子未能在W表面产生空位。
上面的结论引发了我们另一个思路，空位既然不是由H原子入射到W表面直接产生，则必然与入射后滞留在W内部的H原子相关。我们由此模拟了一定浓度的H原子存在条件下，在不同温度下W体系的结构变化，发现了H致空位的产生，给出了直接的动态过程，并提出了H致空位产生的线型机制以及非线型机制。我们详细研究了两种机制下形成的自间隙原子结构，对主要造成空位形成的六边形自间隙原子团簇的结构及稳定性进行了深入分析。同时分析了自间隙原子浓度、体系温度，以及H原子的存在对自间隙原子结构的影响，并通过详细的能量分析进一步验证了自间隙原子结构的产生对于空位的形成确实起到了促进作用。
空位产生后，其存在对H原子在W中的行为有重大影响，我们对W中H与空位的相互作用进行了深入研究。首先研究空位的存在对W中H原子扩散的影响。空位对H原子具有捕获束缚作用，只有较高温度下H原子可以脱离空位，而高温下体系中同时存在H原子从空位中的脱附与再结合、H原子和空位的扩散等过程，H原子的扩散此时无法由Arrhenius方程描述，我们采用了三种方法对这一复杂过程进行分析，研究了H原子和空位的结合情况。而当H原子被空位捕获时，我们也对其在空位中的行为进行了研究，结果显示单空位中最多可容纳14个H原子，且可有一个H2分子形成。更进一步地，我们给出了H原子在空位团簇中的行为。随着团簇尺寸的增加，平均每个空位所能容纳的H原子个数随之降低，但团簇中H2分子个数随着空位数量的增加而增加。
研究了氢泡成核的先决条件空位的产生及其与H原子的相互作用后，我们进一步研究了在H原子作用下，W(001)表面空位/空位团簇的长大过程，这是氢泡成核的关键步骤。我们观察到表面单空位在H原子产生的内部应力作用下长大的同时，有H2分子的形成。而表面的空位团簇中，随着H原子个数的增加，其在H原子作用下向着表面方向长大。我们对团簇初始尺寸和深度对团簇长大的影响进行了研究，另外分析了空位团簇对H原子的捕获能力随团簇尺寸的变化，发现空位团簇所能容纳的H原子最大值与空位个数之比随着团簇尺寸的增加而下降，我们通过分析团簇中H原子的行为状态，认为这一变化是由团簇中的H2分子比例增大造成的。单空位和空位团簇的长大，其根本原因都在于其中H原子产生的应力累积使得周围W原子向表面运动并产生新的空位，以达到释放应力的目的。
本论文致力于W中氢泡成核原因及过程的探讨，系统研究了低能H原子与W表面的作用过程，揭示了W中H致空位的产生机制，探究了H与空位的相互作用，以及在H原子作用下空位及其团簇的长大过程，深化了我们对于氢泡成核的理解。