核聚变不仅可以提供大量的清洁能源,而且对环境造成的影响相对较小。因此,核聚变能被认为是最有前景的新能源之一。到目前为止,磁约束聚变面临的最大问题之一就是反应堆结构材料的选择。低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢具有低的热膨胀系数、良好的的抗辐照肿胀能力以及成熟的工艺等优点,被认为是未来聚变反应堆首选的候选结构材料。氘-氚聚变反应会导致14MeV高能中子的产生,这些高能中子会带来非常严重的级联位移损伤,在材料中引入大量的空位(VA)和间隙原子。同时,中子诱导的(n,α)核嬗变反应会在RAFM钢中引入大量的氦(He)杂质。这些He杂质会被空位强烈的捕获,空位和He的不断聚集导致RAFM中孔洞和He泡的产生,最终引起肿胀和He脆等问题。基于密度泛函理论的第一性原理计算,在由辐照产生的纳米级缺陷结构方面可以提供准确的信息,其中包括辐照缺陷之间短程的相互作用本质、缺陷的团聚以及它们的迁移行为等。大部分的RAFM钢中Cr的浓度大约为9 wt.%,这主要是由于Cr在这个浓度附近可以使得RAFM钢的韧脆转变温度增量最小。本论文采用第一性原理计算,研究了四种不同Cr原子占位的Fe-9Cr合金模型以及碳化钒(VC)析出相中空位、He杂质以及He-VA复合团簇的行为。由于Fe-9Cr合金复杂的原子占位,本论文首先研究了合金中空位和He杂质的形成与局域环境,以及周围金属原子磁矩变化之间的关系,为进一步研究He-VA复合团簇打下了良好的基础。研究表明,Fe-9Cr合金中平均每原子的磁矩比纯Fe中低0.3μB。空位和替换He周围的Cr原子越多,这两类缺陷越容易形成。我们推测在Fe-9Cr合金中随着Fe空位的增多,可能会逐渐出现越来越明显的空位诱导Cr原子的偏析。不同于纯Fe和稀释Fe-Cr合金,在Fe-9Cr合金中,不论He周围是否有近邻的Cr原子,He只能稳定存在于四面体间隙位。近邻Cr原子的四面体间隙He 比非近邻时形成能高。同时,周围金属原子的磁矩被扰动得越明显,对应的缺陷在体系中越难形成。辐照条件下He-VA复合团簇的形成对于RAFM钢中He泡和孔洞的成核和长大非常重要。本论文利用第一性原理计算研究了 Fe-9Cr合金中HenVAm(n,m=0-4)的能量学稳定性,并且与纯Fe体系进行了对比。He-He相互作用表明,Fe-9Cr合金中He的自捕获行为比纯Fe体系中更容易。但是,Cr在一定程度上抑制了单空位对He的捕获能力。此外,相比于纯Fe,Fe-9Cr合金中HenVAm,团簇的形成能更低,而且He与HenVAm团簇的结合能更高。这表明合金中这些复合团簇可能有着更高的密度,而这些复合团簇可以为辐照诱导的弗兰克尔缺陷对提供更多的缺陷湮灭点。当m/n>1时,合金中空位与HenVAm团簇的结合变得更困难。辐照诱导的孔洞肿胀与空位团的聚合长大关系很大。以上结果表明,在Fe基体中加入Cr有利于减轻弥散分布的He-空位复合团簇所诱导的孔洞肿胀。MC型碳化物析出相在传统RAFM钢,特别是可浇铸纳米结构合金(CNAs)中扮演着重要的角色。为了阐明VC等MC型析出相在抑制基体He泡肿胀中能否起到积极的作用。本论文对VC析出相中本征缺陷及He杂质的行为进行了第一性原理研究。研究表明,C空位在VC中极易形成,而且一定数量的空位可以使得周围原子的共价键合更强。相比于Fe基体,VC中空位的扩散能垒更高,扩散更难,而且C空位之间是排斥的,这表明VC中不容易形成大的空位团。相比于Fe基体、TaC和M23C6析出相,间隙He在VC析出相中更加不稳定,而且扩散的更快,这表明VC中的He原子更容易被其它缺陷阱捕获。同时,VC中空位对He的捕获能力要强于Fe基体,这意味着多空位的VC析出相可以作为He泡的捕获位点。由于空位之间是相互排斥的,所以VC析出相中要形成大尺寸的孔洞或He泡是困难的。我们推测中子辐照下VC析出相中可能会存在大量弥散分布的小尺寸He泡。以上理论计算有助于更好地理解传统RAFM钢和CNAs中基体和碳化物析出相中He-VA复合团簇、孔洞和He泡的形成和长大机制。