合肥研究院揭示聚變等離子體引起的金屬表面起泡原理

　　近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員劉長松課題組在聚變等離子體引起金屬表面起泡的原理研究方面取得新進展，發現氫在金屬中的自發偏聚行為，并提出一種新的氫致表面起泡機制。相關論文以Hydrogen bubble nucleation by self-clustering: Density Functional Theory and statistical models studies using tungsten as a model system 為題發表在核聚變領域期刊Nuclear Fusion上(Nucl. Fusion 58, 096021(2018))。

　　氚作為核聚變反應的關鍵燃料之一，對可控核聚變的實現與商業化起著至關重要的作用。然而氚的半衰期只有十幾年，幾乎不存在于自然界當中；加上人工制備極其困難，一千克氚的價值上億美元。因此聚變堆中通常利用聚變的產物中子與鋰反應生成并增殖氚，在整個聚變過程中氚并不被凈消耗，而是以類似于催化劑的形式被循環使用。不過氚的增殖效率有限，因此需要嚴格控制氚的回收過程，減少氚在回收回路之外的滯留，以維持氚的總量不降低。

　　聚變反應堆中直接包裹氘氚等離子體的材料（也稱面向等離子體材料），往往容易對氚滯留產生較大影響。大量的實驗研究發現，以金屬鎢為代表的面向等離子體材料，在接觸聚變堆中的氫同位素等離子體時，金屬的表面會長出氫氣泡，導致金屬表面發生鼓起甚至脫落，不僅損傷金屬材料的結構，降低聚變堆中關鍵的熱能傳遞效率，也極大地增加氚滯留量，影響聚變堆的持續運行。

　　然而，金屬中氫氣泡產生的原理仍不清晰。眾所周知，聚變堆中氫等離子體輻照的能量并不高，其動能不足以將金屬原子撞開而產生孔洞等輻照缺陷讓氫聚集。而現有的實驗手段精度有限，難以對氫的聚集過程進行直接觀察。

　　為了揭示氫泡形核的謎團，劉長松課題組研究人員基于第一性原理，對氫在金屬中的偏聚行為開展了系統的理論計算研究。研究發現，在聚變堆中的高通量氫輻照環境下，金屬中會積累起高濃度的氫，氫能自發地偏聚形成一種二維片層狀的氫團簇，使得不依賴輻照缺陷也能完成氫氣泡的初始形核。基于計算得到的氫偏聚結合能，研究人員通過進一步的宏觀熱力學分析，對聚變環境下金屬表面起泡所需的氫等離子體能量以及通量給出了定量的預測，發現預測結果與相關的氫等離子體實驗數據高度吻合，也驗證了該理論的正確性。

　　相關研究揭示了氫在金屬中自發偏聚行為的物理機理，為聚變堆中低能、高通量氫同位素輻照引發的表面起泡現象提供了定量的解釋和預測，能夠對面向等離子體材料的設計提供有效的理論指導。

　　該工作得到國家自然科學基金、國家磁約束核聚變專項、國家留學基金委的支持。

氫在金屬（鎢）中自發偏聚產生的片層狀團簇和自發偏聚結合能，以及氫自發偏聚誘發的氫泡形核過程示意圖