近日，等离子体所聚变堆材料及部件研究室周海山课题组在辐照缺陷对α-氧化铝阻氚涂层阻氚性能影响机理方面取得新进展。相关成果以“Influence of irradiation-induced point defects on the dissolution and diffusion properties of hydrogen in α-Al2O3: a first-principles study”为题发表在核聚变领域核心期刊Nuclear Fusion上 (Xin-Dong Pan et al 2021 Nucl. Fusion 61 036004)。
未来聚变堆中，为了降低燃料损失、实现氚的自持，氚增殖包层结构材料及其辅助系统必须具有尽可能低的氚渗透率。除了可靠的包层和涉氚系统结构设计外，在涉氚部件的内外表面涂覆阻氚涂层是降低氚渗透率的有效措施。然而，在聚变堆内，阻氚涂层受到高能中子辐照会产生大量辐照缺陷，可能影响材料的阻氚性能。
α-氧化铝被认为是聚变堆阻氚涂层的理想候选材料，课题组采用基于密度泛函的第一性原理计算方法模拟氢在含有不同辐照点缺陷的α-氧化铝内部的溶解扩散行为，研究氢与辐照点缺陷的相互作用，探索氢的存在形式，揭示辐照点缺陷对其阻氚性能的影响机理。通过研究发现氢在α-氧化铝内部非常容易被空位型点缺陷特别是铝空位捕获，从而以氢-空位团簇的形式存在，然而氢-空位团簇在α-氧化铝很难扩散，所以孤立的空位型点缺陷可以在一定的程度上提升α-氧化铝的阻氚性能。氧间隙原子也可以和氢结合形成OiH-，并以OiH-的形式进行扩散。由于OiH-的扩散能垒非常小，以致其在室温下就可以快速迁移。所以氧间隙原子会削弱其阻氚性能。除此之外，课题组还发现，在无辐照的情况下，氢在水环境下更容易渗透进入α-氧化铝，然而在辐照条件下，在氢气环境下更容易渗透进入α-Al2O3。该项研究对于聚变堆阻氚涂层的设计、制备和服役评估具有重要参考价值。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/abcf8c
氢-缺陷团簇的形成能随费米能级的变化曲线