低氢滞留是面向等离子体材料(PFM)的必要条件。钨因具有低氢滞留以及低物理溅射率、高熔点等优点而成为最有前景的PFM。钨中氢滞留量取决于材料中的缺陷密度,而缺陷密度与材料加工和服役环境密切相关。在聚变环境下,辐照产生的大量缺陷可作为氢捕获点,提高材料中氢滞留量,威胁聚变堆的安全运行。大量实验研究表明辐照环境下钨基材料中氢滞留行为十分复杂,与材料性质(杂质浓度、合金元素种类、晶粒尺寸、热处理工艺、材料表面性能等)和辐照条件(辐照预处理过程、氢同位素离子辐照剂量和通量、辐照温度等)密切相关。如何借助多尺度数值模拟手段,进一步揭示氢滞留物理机制,理论和实验相结合地全面认识辐照环境下钨基材料中氢滞留行为及其规律成为目前急需解决的课题,这样才能在材料改性上做到有的放矢,进一步提升钨基材料性能,以满足聚变堆要求。为此,我们采用第一性原理(DFT)、实体动力学蒙特卡洛(OKMC)以及热力学分析相结合的多尺度方法系统研究了钨基材料中氢滞留行为及各种杂质对其的影响,取得了一些进展,获得了一些有意义的结果。运用DFT并结合准简谐近似模型计算了钨中间隙氢的溶解度和扩散系数,获得了与高温区(大于1 500 K)实验结果一致的计算结果,并利用经典Mac-Nabb and Forester方程分析发现低温区实验数据的分散性是由缺陷捕获效应引起的,表明钨中氢的溶解和扩散行为取决于材料中的缺陷性质(种类和浓度等)。在此基础上进一步考察了间隙氢团簇行为,结果表明间隙氢团簇行为与间隙氦团簇行为类似,都倾向于形成二维平面板状结构,且稳定性随团簇的增大而增大。由于间隙氢之间结合较弱,间隙氢团簇只有在氢浓度高于临界值时才能形成并最终演化成氢泡,为低能氢轰击下钨基材料中氢泡形成提供了较合理的解释。辐照产生的空位促进了氢在钨材料中的团簇化行为,但是随着单空位中氢浓度的增加而出现饱和现象,氢无法在饱和后的空位周围聚集。空位-氢复合体的浓度随温度增加而出现峰值(400～1 000K),且团簇中氢原子数越少,峰值出现的温度越高。空位中氢的聚集导致团簇周围钨-钨原子键的减弱,从而降低格点原子的稳定性,促进材料中空位-氢复合体的生长成泡。间隙碳、氮和氧对间隙氢团簇化有促进作用,并显著提高空位-氢复合体的热稳定性,促进大型空位-氢复合体的形成,增加钨中氢滞留量。其中杂质氧的作用尤其显著,而碳和氮的影响较弱。碳和氮在高浓度情况下会在钨表面形成一层碳化钨和氮化钨等化合物,阻碍氢向表面扩散和释放,进而导致材料内部氢滞留量增加。与间隙杂质类似,合金元素等替代型杂质也能作为间隙氢团簇的成核点,促进间隙氢团簇的形成,并在一定程度上降低间隙氢有效扩散系数,提高氢滞留量,但是合金元素对空位-氢复合体影响较小。合金元素与空位、自间隙都有较强的吸引作用,其中与自间隙作用最强,可以阻碍自间隙扩散缩小空位和自间隙扩散速率差,促进辐照缺陷复合,降低辐照缺陷浓度,进而降低氢滞留,合理得解释了钨-铼、钨-钽合金中不同氢滞留实验结果间的差异。从氢滞留、合金元素相析出以及嬗变效应的角度考虑,钽是综合性能较好的合金元素。在上述研究基础上,我们构建了氢与空位、自间隙、杂质等点缺陷相互作用数据库,利用自主开发的OKMC程序并结合SRIM程序研究了钨中氢的扩散和杂质对氢的钉扎效应、空位对氢的捕获效应、并获得了可与实验直接对比的氢热脱附谱、氢滞留量与氢离子辐照剂量的关系。