题目：钨-氢-氦原子间势建立及钨中氢/氦行为的分子动力学研究

聚变环境下的材料问题是未来聚变能源实现的关键问题。面对等离子体材料（PlasmaFacing Materials，PFM）作为聚变堆中的重要材料，其选择尤为关键。钨（W）及W合金因其高熔点和低溅射率被视为目前最有前途的PFM，将可能在下一代聚变堆中全面应用。但是，低能大束流的氢（H）/氦（He）等离子体辐照将导致W基PFM的表面起泡问题，严重影响等离子体的稳定性并降低PFM的服役寿命，目前急需解决。深入理解W中的H/He行为是解决W基PFM中H/He起泡问题的重要基础。分子动力学方法通过求解牛顿方程给出系统中每个粒子的位置和速度，根据统计规律可得到宏观可观测量从而确定材料的性能，可模拟系统的动力学行为和温度效应。原子间势函数是表示原子间相互作用的函数，决定原子间的相互作用行为，从而从根本上决定材料的所有性质。采用的势函数准确与否，将直接影响到分子动力学模拟结果的精确度。势函数的研究和开发是分子动力学发展的最重要的任务之一。为了系统研究W中的H/He行为，需要有可正确描述W-H-He相互作用的原子间势函数。非常遗憾的是，目前现有原子间势函数无法正确描述W中H/He与缺陷的相互作用，急需开发一套新的W-H-He原子间势函数。本论文基于实验结果和第一原理计算得到的W-H-He体系的结构和扩散性质等，应用晶格弛豫拟合方法，成功地建立了一套适合于W中缺陷模拟的W-H-He原子间势函数。这套势函数被证明可以正确重现各种结构和扩散性质，目前已为国内外多个研究小组所采用。基于自行开发的W-H-He势函数，应用分子动力学方法对W中H/He与不同类别缺陷的相互作用进行了系统模拟研究，得到了W中H-H相互排斥和He-He相互吸引的物理本质，给出了W中H/He、空位和自间隙原子与H/He-空位团簇结合能与H/He-空位比率的依赖关系。发现H/He-空位比率的增加将降低H/He和自间隙原子与H/He-空位团簇的结合能，而增加空位与H/He-空位团簇的结合能。我们因而分别给出的H-空位团簇和He-空位团簇的形成和长大过程。两者均均经历“H/He-空位团簇形成H/He捕获空位捕获更多的H/He捕获”的过程。但是，H-空位团簇形成需要较高的H浓度，并且空位团簇中的H达到一定浓度时，H将不能够与H-空位团簇结合（结合能为负）；而He-空位团簇则趋于自发形成，在He-空位比率很高的情况下，He与He-空位团簇的结合能依然为正。这是W中H和He行为的重要差别，主要源于两者电子结构的差别，即He为闭壳层结构，而H为非闭壳层结构。因为H/He-空位团簇可认为是氢泡和氦泡的最初成核，因而这实际上给出了氢泡和氦泡的最初形成和长大的过程。本论文建立的适于W中缺陷研究的W-H-He原子间作用势为应用分子动力学方法研究W中H/He行为创造了必要的计算条件；利用这套W-H-He原子间作用势通过分子动力学计算得到的计算结果对于解决聚变W基PFM的表面起泡问题以至PFM的设计和制备具有重要的指导意义和参考价值。