题目：金属中氢泡形成与临界特性的理论研究

未来可控核聚变装置中面对等离子体材料的选择和应用是实现核聚变能的关键问题之一。金属材料钨（W）/钼（Mo）以其良好的热力学性能、低物理溅射腐蚀率以及低氢（H）同位素滞留量等优点被认为是最具有潜力的面对等离子体材料候选材料。等离子体辐照条件下，H同位素在W/Mo中滞留起泡，导致材料力学性能极大降低，因此，氢致起泡是影响W/Mo作为面对等离子体材料应用于未来核聚变装置中的关键问题。

本论文首先应用第一原理计算方法研究H在W/Mo中不同的缺陷情况，如空位、晶界以及表面中的溶解、捕获以及扩散行为，揭示氢泡形成的物理机制。金属中的空位、晶界和表面均可以作为H的捕获中心，当缺陷内表面捕获的H达到饱和后，氢泡成核成为可能。

W/Mo空位能提供最佳电子密度面使H占据，此电子密度面随植入H个数的增加而收缩，直至14个H加入后消失，伴随空位中心一个H2分子形成。空位对H存在一个最大捕获个数，W/Mo空位最多能捕获12/8个H。H倾向于溶解在Mo Σ5 (310)晶界中心电荷密度最低的间隙位，晶界中的空位进一步捕获H而降低H的溶解/偏析能，相比体内空位，H更容易被晶界空位所捕获。H沿着晶界向中心间隙位的扩散势垒逐渐降低，最低仅为0.04 eV。H容易吸附于W(110)表面之上，但不倾向于溶解在次表面间。表面空位对H有明显的捕获作用，作用范围存在于空位近邻两个次表面间，是表面氢泡形成的重要影响因素。

第一原理计算揭示的氢致起泡物理机制表明，金属中氢泡形成具有临界特性，缺陷中捕获H达到饱和浓度后，氢泡才可能形成。在第一原理计算的基础上，以H溶解能和捕获能等能量结果作为必要输入参数，建立一套适用于计算金属缺陷中H平衡浓度的热力学浓度公式，预测金属中氢泡形成的临界特性，以临界H浓度作为有效判据，为实验上判断金属中氢泡形成提供必要的理论参考。

根据热力学浓度公式，考虑最简单的单空位的情况，计算得到W/Mo中间隙H和H-空位复合体的平衡浓度以及其对温度和压强的依赖关系。一定温度下，存在一个临界H浓度/压强，对应总H浓度的突然急剧增长，这主要来源于体系中H-空位复合体浓度快速升高的贡献。明确定义并定量预测出不同温度下的临界H浓度，据此给出W/Mo中氢泡形成的浓度-温度相图；以临界H浓度-温度变化曲线为界，分为氢泡形成和氢泡未形成两个区域，一定温度下，若金属中H浓度超过临界浓度，即落在氢泡形成区，大量H-空位复合体将形成并快速生长，聚集而形成氢泡，从而利用临界H浓度来判断金属中氢泡形成。

进一步以Mo为代表，探讨氦（He）存在于空位中，对Mo中氢泡形成临界浓度的影响。利用热力学浓度公式，同样确定了He存在时Mo中氢泡形成的浓度-温度相图。相比于仅有空位的情况，He存在时，临界H浓度和压强均有所升高，也就是说，此时形成氢泡需要达到更高的H滞留浓度。这就从浓度角度证明，He对金属中氢泡形成有一定的抑制作用。

本论文的研究结果揭示了聚变用金属材料W/Mo中氢泡形成的物理机制，在此基础之上成功预测出氢泡形成的临界H浓度，对于实验上判断金属中氢泡形成有十分重要的理论意义和应用价值，为金属W/Mo应用于未来核聚变装置的设计制备等提供有效的理论参考依据。