In fusion reactors, plasma-facing materials (PFMs) work under a complex irradiation environment. A lot of irradiation defects will be generated in tungsten (W), primary candidate for PFMs, leading to a substantial amount of hydrogen fuel retention. Among various irradiation induced defects, <100> interstitial dislocation loops can stably exist and trap hydrogen isotopes, significantly threatening the safety of fusion reactors. Therefore, understanding the mechanism behind the trapping and de-trapping behavior in <100> interstitial dislocation loops for hydrogen isotopes is an urgent challenge. In this work, the microscopic kinetic behavior of deuterium (D) trapping/de-trapping in <100> interstitial dislocation loops was systematically investigated. It shows that <100> dislocation loops exhibit the highest D atom binding energy near the loop, approximately 1.5 eV. As a result, D atoms tend to be trapped in the regions closest to the loop. Two possible migration pathways for the trapped D were explored, and the results indicate that D prefers to migrate along the dislocation loop. As temperature increases, the trapped D atoms gradually transition from short-range vibrations within the dislocation loop to long-range migration along the loop and can de-trap from the loop at higher temperatures. Calculations of the activation energy for D de-trapping from the dislocation loop suggest that D trapping in the loop follows a multi-level mechanism. Comparison with the binding energies and thermal desorption spectra of other defects reveals that <100> dislocation loops are the strongest trapping sites for hydrogen isotopes among dislocation-type defects. This study provided a comprehensive understanding of the trapping and de-trapping behavior of hydrogen isotopes in <100> interstitial dislocation loops under a fusion environment, which carries practical implications for evaluating tritium retention in PFMs.
核融合炉において、プラズマ対向材料（PFMs）は複雑な照射環境下で使用される。PFMsの主要候補材料であるタングステン（W）には、多数の照射欠陥が生成され、その結果として多量の水素燃料の滞留が引き起こされる。様々な照射誘起欠陥の中で、<100>格子間転位ループは安定に存在し得て、水素同位体を捕捉し、核融合炉の安全性を著しく脅かす。したがって、水素同位体に対する<100>格子間転位ループにおける捕捉・脱捕捉挙動のメカニズムを理解することは緊急の課題である。本研究では、<100>格子間転位ループにおける重水素（D）の捕捉・脱捕捉の微視的運動挙動を系統的に調査した。その結果、<100>転位ループはループ近傍で最大のD原子結合エネルギー（約1.5 eV）を示すことが明らかになった。その結果、D原子はループに最も近い領域に捕捉されやすい。捕捉されたDについて、考えられる2つの移動経路が調査され、Dは転位ループに沿って移動することを優先する示唆された。温度が上昇すると、捕捉されたD原子は転位ループ内での短範囲振動から、ループに沿った長範囲移動へと徐々に遷移し、より高温ではループから脱捕捉することができる。転位ループからのD脱捕捉に対する活性エネルギー的計算は、ループ内のD捕捉が多準位機構に従うことを示唆している。他欠陥の結合エネルギーおよび熱脱離スペクトルとの比較により、<100>転位ループは転位型欠陥の中で水素同位体に対し最も強い捕捉サイトであることが明らかになった。本研究は、核融合環境下における<100>格子間転位ループ中の水素同位体の捕捉・脱捕捉挙動の包括的な理解を提供し、PFMs中のトリチウム滞留を評価する上で実用的意義を持つ。