研究等離子體鎢材料中氫氦氣泡形成獲進(jìn)展

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近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所內(nèi)耗與固體缺陷實(shí)驗(yàn)室科研人員與合肥研究院等離子體物理研究所和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研人員合作，在面向等離子體材料鎢中氫氦氣泡成核和生長(zhǎng)機(jī)制研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)科研成果發(fā)表在聚變領(lǐng)域權(quán)威期刊《核聚變》（ nuclearfusion）上。

體心立方鎢具有高熔點(diǎn)，良好的抗中子輻照和抗濺射腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被選為國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（iter）的面向等離子材料。來(lái)自芯部等離子體（d-t聚變反應(yīng)）中的氫同位素和氦離子在材料中的行為往往導(dǎo)致面向等離子體材料的失效�？蒲腥藛T使用密度泛函理論方法研究了金屬鎢中氫和氦氣泡的成核和生長(zhǎng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)氫原子很難在鎢的間隙位置聚集，而氦原子傾向于在鎢（110）層間聚集形成密堆積的單層結(jié)構(gòu)。結(jié)合能計(jì)算進(jìn)一步證明了單層結(jié)構(gòu)形成的可能性。氦單層可能為實(shí)驗(yàn)上觀察到的扁平狀氦氣泡的初始構(gòu)型。由于局域應(yīng)力的存在，當(dāng)氦原子數(shù)超過(guò)5時(shí)，氦單層的近鄰可能發(fā)射自間隙原子而形成弗蘭克爾缺陷對(duì)。

此外，基于質(zhì)量反應(yīng)定律（thelawofmassaction），科研人員計(jì)算了空位-氫復(fù)合體濃度隨溫度的變化關(guān)系，該結(jié)果表明在iter的服役溫度（1000k）附近，空位-氫的復(fù)合體大量存在，相比之下空位-氦則更加穩(wěn)定。研究還表明，氫和氦在空位中的聚集促進(jìn)了空位與空位之間的結(jié)合。因此，氫和氦氣泡可以通過(guò)以下兩種方式成核和生長(zhǎng)：（1）空位捕獲氦原子，當(dāng)氦原子濃度達(dá)到閾值時(shí)，空位周圍發(fā)射一個(gè)自間隙原子，長(zhǎng)大的空位再捕獲氦原子再發(fā)射自間隙原子直到氦氣泡的形成。（2）氫和氦原子在空位中的占據(jù)，促進(jìn)了空位的聚集從而形成空位團(tuán)簇，而氫和氦在該空位團(tuán)簇中聚集導(dǎo)致氫和氦氣泡的形成。該研究成果為理解面向等離子材料中氫氦行為和氫氦氣泡形成機(jī)制等方面提供了新思路。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在 nuclearfusion54,103007（2014）。

上述研究工作得到科技部國(guó)家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院的支持。

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