近日，中科院合肥研究院等離子體所聚變堆材料及部件研究室周海山課題組在輻照缺陷對(duì)α-氧化鋁阻氚涂層阻氚性能影響機(jī)理方面取得新進(jìn)展。相關(guān)成果以“Influence of irradiation-induced point defects on the dissolution and diffusion properties of hydrogen in α-Al₂O₃: a first-principles study”為題發(fā)表在核聚變領(lǐng)域核心期刊Nuclear Fusion上。

　　未來(lái)聚變堆中，為了降低燃料損失、實(shí)現(xiàn)氚的自持，氚增殖包層結(jié)構(gòu)材料及其輔助系統(tǒng)必須具有盡可能低的氚滲透率。除了可靠的包層和涉氚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，在涉氚部件的內(nèi)外表面涂覆阻氚涂層是降低氚滲透率的有效措施。然而，在聚變堆內(nèi)，阻氚涂層受到高能中子輻照會(huì)產(chǎn)生大量輻照缺陷，可能影響材料的阻氚性能。

　　α-氧化鋁被認(rèn)為是聚變堆阻氚涂層的理想候選材料，課題組采用基于密度泛函的第一性原理計(jì)算方法，模擬氫在含有不同輻照點(diǎn)缺陷的α-氧化鋁內(nèi)部的溶解擴(kuò)散行為，研究氫與輻照點(diǎn)缺陷的相互作用，探索氫的存在形式，揭示輻照點(diǎn)缺陷對(duì)其阻氚性能的影響機(jī)理。

       研究發(fā)現(xiàn)氫在α-氧化鋁內(nèi)部非常容易被空位型點(diǎn)缺陷特別是鋁空位捕獲，從而以氫-空位團(tuán)簇的形式存在，然而氫-空位團(tuán)簇在α-氧化鋁內(nèi)部很難擴(kuò)散，所以孤立的空位型點(diǎn)缺陷可以在一定程度上提升α-氧化鋁的阻氚性能。氧間隙原子也可以和氫結(jié)合形成O_iH-，并以O(shè)_iH-的形式進(jìn)行擴(kuò)散。由于O_iH-的擴(kuò)散能壘非常小，以致其在室溫下就可以快速遷移。所以氧間隙原子會(huì)削弱其阻氚性能。除此之外，課題組還發(fā)現(xiàn)，在無(wú)輻照的情況下，氫在水環(huán)境下更容易滲透進(jìn)入α-氧化鋁，然而在輻照條件下，在氫氣環(huán)境下更容易滲透進(jìn)入α-氧化鋁。

       該項(xiàng)研究對(duì)于聚變堆阻氚涂層的設(shè)計(jì)、制備和服役評(píng)估具有重要參考價(jià)值。

　　論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/abcf8c 

　　氫-缺陷團(tuán)簇的形成能隨費(fèi)米能級(jí)的變化曲線