钨以其高熔点，低溅射，不与氢发生化学反应及氢滞留极低等特性被视为是最有前景的面向等离子体候选材料。然而，钨存在室温脆性、再结晶脆性、辐照脆化以及高温时强度低等不足，限制了其在聚变堆中的应用。合金化被认为是提高钨基材料性能的一种重要途径。在其服役过程中，钨及其合金将会遭受高能中子辐照，在材料内部产生大量缺陷，如空位，自间隙等。合金元素将与辐照缺陷相互作用，一方面改变材料中合金元素的扩散性质和聚集形态，另一方面改变辐照缺陷的本征演化规律，进而改变材料的性能。此外，中子辐照会引入大量的嬗变元素以及加工过程也不可避免在材料中遗留下一些杂质，这些嬗变元素和杂质与辐照缺陷相互作用也会对材料的性能产生影响。因此，溶质元素与辐照缺陷间相互作用的研究显得尤为重要。我们采用第一性原理方法研究了钨中过渡金属溶质原子与点缺陷的相互作用，初步建立了过渡金属原子与点缺陷相互作用数据库（图1），主要包括多种缺陷簇的稳态亚稳态缺陷构型及其能量学基本参数（形成能、结合能、作用半径等）和动力学基本参数（扩散机制、扩散激活能以及扩散系数等），该数据可以作为更高时间和空间尺度计算模拟的输入参数（如蒙特卡洛，速率理论等）。基于相关数据进一步考察溶质与点缺陷相互作用的物理控制因素，发现电子相互作用在溶质原子与空位相互作用中起主导因素，而弹性相互作用控制着溶质原子与自间隙间的相互作用，并总结出溶质与点缺陷相互作用的规律，即具有较大电负性的溶质原子倾向于空位结合，具有较小金属半径的溶质原子倾向于与自间隙结合（图2）。该规律在铝基和镁基合金中依然适用。基于溶质原子与空位和自间隙缺陷间的结合能，可推测过渡金属溶质原子能够显著缩小材料中空位和自间隙扩散速率间的差异，促进辐照诱导点缺陷的复合，提高材料的抗辐照性能，该推测解释了近期部分实验现象。最后根据计算模拟数据并结合近期实验结果，讨论了目前比较典型的合金元素Re、Os、Ta、Ti、V对辐照损伤和氢滞留的影响，对比分析表明，相比于Re，Os，Ti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。

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。

文章链接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645413009026