发展核聚变能对解决人类社会的能源短缺和环境污染问题具有非常重要的意义。因此，国际社会提出了旨在发展核聚变能的国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)项目。在该项目中，面向等离子体材料(PFMs)扮演着重要的角色，它直接面对着处于极端状态下的等离子体，承受着极强的电磁辐射以及高能中子和逃逸粒子的辐照。钨(W)材料具有高的熔点、高的溅射阈值、低中子辐照活化性、低氢(H)同位素滞留率、低的热膨胀系数和较好的热稳定性等优良特性，被选为ITER项目中的PFMs。然而，在实际应用中，W基PFMs不仅面临着高能粒子诸如中子、H同位素（D和T）和氦(He)轰击所引起的离位损伤，而且也面临着随之而来的H、He气泡的危害。H、He气泡的存在严重影响了W基PFMs的力学性能，从而W材料的服役性能和使用寿命也将受到影响。此外，W是一种高原子序数(Z)元素，H、He气泡破裂产生的碎片会剧烈地污染等离子体。因此，研究W体系中H、He气泡的形成机制从而最终控制气泡的形成就显得至关重要。在本文中，我们采用第一性原理方法研究H原子在W材料中的聚集行为，试图给出一种可能的H气泡形成机制。　　此外，铜(Cu)及其合金材料具有良好的导热性能，是ITER装置中重要的热沉材料，它将沉积在PFMs上的聚变能快速有效地输出到外界。然而W基PFMs和Cu基热沉材料之间的热膨胀系数、杨氏模量差异都比较大，其连接方式不能用简单地焊接;否则在一定的温度下，两种材料的接触面会存在巨大的热应力从而造成局部断裂。为了缓解局部过大的热应力，实际应用中使用钨铜功能梯度材料(W/Cu FGMs)来连接W基PFMs和Cu基热沉材料。然而W/Cu二元混合体系的行为尤其是在原子尺度上还远未研究清楚。本文提出了一种用于处理W/Cu二元混合体系的紧束缚势模型，该模型为从原子尺度研究W/Cu二元混合体系提供了一种全新的计算方法和工具。本文共分为五章。　　第一章主要介绍了W基PFMs以及W/Cu功能梯度材料的研究背景，并提出了需要解决的问题。　　在第二章，我们概述了紧束缚势模型的理论根据，并介绍了依赖于环境的紧束缚势模型的最新进展。　　在第三章，我们详细地介绍了用于处理纯Cu体系、纯W体系和W/Cu二元混合体系的紧束缚势模型。这种模型能准确地预测W、Cu和W/Cu等材料的电子结构、结合能、弹性性质和体系的热力学行为等。　　在第四章，我们采用新发展的紧束缚势模型模拟了Cu材料中的辐照事件。研究结果揭示了辐照引发的缺陷、体系的热学力学性质随时间的演化行为;结果显示，体系的导热性能在高的缺陷密度时急剧的降低，这种结果对于研究聚变堆中的热沉材料具有重要的意义。此外，基于实验结果，我们搭建了一种W-Cu界面（W晶粒的晶向为[110]，Cu晶粒的晶向为[3(5)6]）。通过分子动力学模拟，我们获得了一个纳米尺度的W-Cu界面。由于W/Cu功能梯度材料在连接PFMs和热沉材料上扮演着很重要的角色，所以W-Cu界面的热学性质是一个很重要的参数。计算结果显示，这种界面在平行于界面方向的热导率是垂直于界面方向的2.35倍，因此W-Cu界面在材料中扮演着一个阻碍热量传递的角色。　　在第五章，通过第一性原理研究方法，我们考察了W体系中H原子在双轴应变和均匀应变下的迁移行为。研究结果显示，H原子迁移的方向依赖于应变的形状。此外我们知道，层错是一种常见的面缺陷，它是一种可能的H原子聚集“核”;而且从结构上看，层错中存在大片的缺陷区域，其中的W-W键合较正常结构中的键要弱。通过第一性原理计算，我们发现层错附近的H原子只需要克服0.14eV的能量势垒就可以迁移到层错中。更进一步，我们还研究了多个H原子在层错中的聚集行为。结果显示，随着H原子聚集数目的增多，层错附近的W-W键长逐渐变大，层错附近的W-W键合强度也逐渐被削弱。随着H原子聚集数目的进一步增多，大量的H原子将会撕裂层错，撕裂的层错会为聚集更多的H原子提供更多的空间，于是H气泡会很自然的在W材料的表面形成，因此层错在H气泡形成机制中扮演了重要的角色。