● 摘要
核聚变能是潜在的清洁安全能源。可控热核聚变装置“托卡马克”以及未来反应堆中关键材料问题的解决将是决定聚变能源能否成功应用的关键之一。在聚变堆材料中，面对等离子体材料（Plasma-facing material, PFM）的选择尤为关键。钨（W）由于其高熔点、低物理溅射率、不与氢（H）发生化学刻蚀以及低的H滞留等特性被视为未来托卡马克装置中最有可能全面使用的PFM。然而在聚变等离子体环境下，W暴露在高通量氦（He）、氘、氚及中子等粒子的轰击之下，存在着表面起泡和中子辐照脆化等问题，这将严重影响等离子体的稳定性并降低PFM的使用寿命。其中He致W起泡及脆化问题是制约W作为PFM候选材料应用的重要方面。W的合金化是改善钨材料性能的方法之一。
应用第一原理方法，我们首先研究了He在本征W中的占位、溶解及扩散行为。计算结果表明，He在W中的最稳定位置为替代位，且相比于八面体间隙位，He更倾向于占据四面体间隙位。He在W中替代位、四面体间隙位和八面体间隙位的溶解能分别为4.72eV，6.11eV和6.32eV。 He在W中相邻四面体间隙位的扩散势垒为0.06eV。其次，我们研究了合金化元素铌（Nb）、铈（Ce）、铼（Re）、锝（Tc）、铂（Pt）、金（Au）和汞（Hg）对W中He溶解行为的影响。我们发现，几种合金化元素的存在都使He在W中的溶解能降低。
进一步，我们研究了合金化元素铌对W中He溶解和扩散行为的影响。研究发现，Nb的存在显著降低了He在W中溶解能，Nb可以作为W中He捕陷中心，在最稳定位置处Nb对He的捕陷能达到0.37 eV。通过电荷分析发现，这主要是因为Nb的存在引起了W中电荷密度的重新分布。而He在W中的扩散能垒将随着He-Nb间距离的缩小而逐渐降低，这从动力学上表明He被Nb捕陷是可行的。因此，Nb的存在将有利于W中He的聚集成泡。
这些研究结果揭示了合金化元素对He在W中行为的影响，可为聚变PFM材料的制备提供参考依据。