托卡马克装置通过产生磁场控制等离子体,从而实现可控核聚变反应的发生。等离子体含有多种高能粒子,例如:中子、氢离子及其同位素、氦离子等。托卡马克装置第一壁材料必须承受高能中子辐照、热负荷、电离辐射以及等离子体与之发生的相互作用,在第一壁材料内可能产生空穴、填隙、替代等点缺陷。目前,第一壁材料主要选用高原子序数(Z)金属元素:钼和钨。面向等离子体壁处理技术是提高高温等离子体性能的关键环节,该技术可以抑制等离子体杂质,降低粒子边界再循环,保证高参数、长脉冲等离子体运行。托卡马克装置第一壁材料在长期锂化后,锂原子可能沿着晶界和缺陷扩散而固溶于第一壁材料,锂杂质原子的存在可能对第一壁材料的性能造成一定的影响,值得深入探究。氦泡或氦脆是第一壁材料的共性问题,目前还没有方法能够彻底解决,而存在的锂杂质原子对氦原子的行为又具有怎样的影响?本论文利用第一性原理计算,研究了锂原子在第一壁材料—钼和钨金属内部存在时的微结构和电子结构以及锂原子与氦原子的相互作用,并且进一步探讨了锂、氦杂质原子对钼和钨晶体力学和热力学性能的影响。计算结果表明:在钼和钨金属中,单一锂原子倾向于占据替代位,间隙锂原子在钼和钨晶体中的迁移能垒分别是0.19 eV和0.40 eV,说明间隙锂原子容易扩散。第二个锂或氦原子倾向于占据间隙位,替代锂原子与间隙锂或氦原子之间存在相互吸引作用,意味着替代锂原子可以作为间隙锂或氦原子的捕获陷阱;替代锂原子在钨晶体中比在钼晶体中更为容易捕获间隙锂或氦原子,但是捕获范围对于氦原子而言要比锂原子大一些。多个间隙锂或氦原子能够聚集在替代锂原子周围,从而导致钼和钨晶体中局域锂或氦浓度增加。通过计算钼和钨晶体的电子结构(态密度和电荷密度图)可知,当锂杂质原子固溶于钼和钨晶体时,钼和钨晶格能够发生明显的晶格畸变。为了探讨长期锂化对第一壁材料力学性能的影响,从弹性常数出发,采用Voigt-Reuss-Hill平均法,对钼和钨金属体系的体弹性模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比和各向异性因子进行计算。结果表明,锂或氦杂质缺陷导致钼和钨金属材料晶格常数增加,体弹性模量、杨氏模量、剪切模量均降低。由此判断,钼和钨金属材料刚度和硬度下降,而且随着温度的升高也呈现下降趋势。对于第一壁材料而言,锂或氦杂质缺陷不利于材料承受高能粒子的轰击以及等离子体品质与密度的控制,并且影响其使用寿命。但是,B/G值和泊松比增加,表明第一壁材料的韧(展)性得到明显提高。韧性增强对于第一壁材料的辐照脆化、再结晶脆化和低温脆化具有一定的缓解作用。通过构造杨氏模量密度比(E/ρ)与体弹性模量剪切模量比(B/G)的Ashby图,分析表明钼或钨金属的刚度与延展性呈现负相关性关系。柯西压力均为正值,并且随着锂或氦原子数量的增加而增加,表明在含有锂、氦杂质原子的钼和钨晶体材料中金属键是主要的化学键。各向异性因子计算结果显示,替代锂原子捕获间隙氦原子可以增加钼和钨晶体材料的各向同性,但是当捕获较多的间隙锂原子时,又将导致钼和钨晶体材料的各向异性程度增加。钼和钨晶体在各个特定方向的弹性波传播速度随着锂、氦原子的积累而逐渐降低。钼晶体的弹性波波速大于钨晶体的弹性波波速,尤其是纵波波速。采用准简谐Debye模型,研究包含多个锂、氦杂质原子的钼或钨金属的吉布斯自由能(G*)、德拜温度、定容热容(C_v)、熵(S)、格林爱森参数(γ)、热膨胀系数(α)、定压热容(C_p)等热力学性质随温度的变化。由计算结果可知,锂、氦杂质原子的存在导致钼和钨金属的吉布斯自由能、熵、格林爱森参数、热膨胀系数增加,定压热容在低温时增加速率较快,德拜温度降低。