● 摘要
核聚变能是潜在的清洁安全能源。磁约束托卡马克是目前最有可能实现受控热核聚变的方法，而托卡马克装置及未来反应堆中的关键材料问题是聚变能实现的关键问题。其中面对等离子体材料（PFM，Plasma-Facing Material）的选择尤为关键。钨（W）基材料以其高熔点和低物理溅射率等特性被视为未来托卡马克和聚变堆中最可能全面使用的PFM。W不断受到聚变反应过程中产生的高能中子的轰击；这将造成材料的辐照损伤，直接导致W中像自间隙原子（SIA，Self- Interstitial Atom）、空位以及空洞等缺陷的产生，并进一步迁移和聚集，引起材料的肿胀和变形，最终使W材料遭到破坏。因此，系统研究W中SIA的行为成为目前W基PFM研究中一个重要的问题。本文应用第一原理方法，系统研究了W中SIA的热力学稳定性和动力学迁移特性。我们研究了W中SIA的热力学稳定性。哑铃结构在W中最稳定，形成能为9.43 eV。哑铃为次稳定结构，其形成能为9.82 eV。而其它结构如四面体间隙、哑铃和八面体间隙的形成能分别为 11.03 eV, 11.58 eV 和 11. 63 eV，能量明显高于 哑铃结构。。进一步研究了SIA在W中的动力学特性。对于，和三种哑铃结构之间的原位转动，我们发现哑铃一旦形成，它将迅速转化为哑铃；进一步从哑铃向哑铃转化，其激活能垒为0.39 eV。对于，和哑铃向各自1近邻和2近邻平移过程，我们发现哑铃很容易向2近邻位置移动，而哑铃和哑铃的行为与哑铃相反，它们更容易向1近邻平移，其激活能垒分别为0.347 eV和0.004 eV。本论文的研究结果为ITER及未来聚变装置PFM的设计提供必要的理论参考依据。