近期，固体所科研人员通过与等离子体所及近代物理所科研人员的合作，在面向等离子体钨材料氢氦效应的计算模拟研究方面取得新进展。相关研究结果发表在聚变领域权威期刊《核聚变》（Nuclear Fusion）和《核材料》（Journal of Nuclear Materials）上。

钨基材料由于具有高熔点、高溅射阈值、低氚滞留、低热膨胀系数等优点，成为国际热核聚变堆最有希望的面向等离子体材料（PFM）。在聚变服役过程中，PFM在强束低能H/He离子流的辐照下引起结构显著变化（如H/He聚集、长大起泡甚至形成表面纳米丝状结构），从而降低PFM表面热导率，增大表面熔化蒸发和芯部污染的可能性。另一方面，钨在中子辐照下会嬗变一些新元素Re, Os和Ta等；同时添加合金元素（Re，Ta，Os，Ti和V）可以有效改善其脆性和硬度。因此，钨中嬗变/合金元素与He之间相互作用方面的研究显得尤为重要。固体所研究人员基于第一性原理计算研究16种元素（包括常见嬗变/合金元素）与He之间的相互作用以及He在杂质元素周围的扩散性质。研究发现，间隙原子（Be，C，N和O）对He的捕获半径是替代原子的2倍，其对He的捕获效应更为显著。而替代原子与He之间的结合能正比于He原子所在位置的电荷密度，即He更易在电荷密度较低处聚集（见图1）。扩散计算表明Re/Ta处He的迁移与扩散行为几乎不受影响；而Os，Ti和V对He有明显的捕获作用。对比分析表明，相比于Ti，Os，Re和V等元素，Ta更适合作为钨的合金元素，这为高性能钨合金的设计提供了新思路。相关研究结果发表在 《核聚变》（Nuclear Fusion, 2013, 53, 073049, http://iopscience.iop.org/0029-5515/53/7/073049）上。

针对钨中氢泡形成机制问题，研究发现间隙杂质原子的引入能引起局域晶格畸变，导致周围格点的稳定性降低，空位易于在该区域产生。间隙杂质原子可以作为氢的诱捕点，形成间隙杂质原子和多个间隙氢原子的缺陷团。该缺陷团的形成会显著弱化周围钨原子间相互作用，甚至导致某些格点不稳定，达到空位自发形成的一个必要条件。基于计算结果，我们初步提出氢泡成核机制（图2）：氢原子在间隙杂质原子（如氧）周围聚集导致周围出现不稳定格点，在该格点处形成新的空位并进一步捕获更多的氢原子，形成空位-杂质-氢团簇。该团簇通过在其周围弱键区域内形成新的空位，从而捕获更多的原子，最终形成氢泡。相关研究结果发表在《核材料》（Journal of Nuclear Materials 2013, 433, 357-363, http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2012.10.024）上。

上述研究工作得到科技部国际热核实验堆（ITER）计划专项、国家自然科学基金委和中国科学院的支持。