热负荷减缓剂原子(氮/氩)对钨中氢滞留的影响

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钨材料因其具有低氢滞留等优秀的物理特性,成为未来聚变反应装置中偏滤器上的主要候选材料,但在实验中偏滤器常会遭受边缘局域模、等离子破裂等情况所引起的热冲击,进而造成偏滤器部件使用寿命的缩减。作为两种常用的减缓热冲击气体,氮气和氩气对偏滤器所受热冲击减缓效果较好。然而氮和氩作为杂质进入钨材料中会对氢滞留行为产生影响。近期实验结果表明氮和氩会提高钨中氢滞留量。尽管实验现象明确,但是其物理机制不清楚。  本文利用第一性原理系统研究了钨中氮、氩两种溶质原子与氢之间的相互作用。在此基础上利用热力学模型和动力学蒙特卡洛方法评估了氮和氩对氢溶解和扩散行为的影响。钨中氮与氢相互作用计算结果表明钨中氮原子虽然对溶解在间隙位置的氢几乎没有作用,但会明显降低氢在空位中的积累,进而导致辐照后钨表面氮富集层中氢滞留量的降低。同时,间隙位的氮和空位中的氮均会降低钨中氢的有效扩散系数。此结果表明钨表面含氮富集层的形成会对氢扩散到表面的过程起到势垒的作用,从而增加了氢向块体内部的扩散,并最终导致块体内部氢滞留量的增加。这一研究结果为近期相关实验现象提供了理论解释。钨中氩与氢的初步计算结果表明氩会降低氢在钨中的扩散系数,提高氢滞留。相关研究结果有助于解释实验中的某些现象,同时也可以为有关氢滞留方面的研究提供一些帮助。
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