The retention of hydrogen (H) isotope in plasma-facing materials (PFMs) is an important issue for next step fusion device. We used density functional theory (DFT) to study the chemical bonds of H in tungsten–carbon (W–C) mixed layers of tungsten surface, aiming to explore the retention behaviour of H in PFMs. The solubility of C in W was first calculated for revealing the phase components in W–C mixed layers. It was found that C has low solubility in W, which prefers to be segregated on the W surface. Vacancies can enhance the solution of C in W. This makes C appear somewhat carbide feature. Thus, W–C mixed layers should contain multiple phase components. H retention strongly depends on the phase components in the W–C mixed layers. The solution of C will suppress the retention of H in W no matter whether neighbouring vacancies are present, or not. Hydrocarbon precursors, which were observed in desorption experiments, prefer to form by means of H binding to C atoms in C amorphous, or in precipitators in the W–C mixed layers, while not in tungsten carbide phase or in W bulk. Our investigation reasonably explains the experimental results.
プラズマ対向材料(PFMs)における水素(H)同位体の保持は、次世代核融合装置にとって重要な課題である。我々は、PFMsにおけるHの保持を探求することを目的として、タングステン表面のタングステン-炭素(W-C)混合層におけるHの化学結合を研究するために密度汎関数理論(DFT)を用いた。W-C混合層における相構成を明らかにするために、W中のCの溶解度を最初に計算した。CはW中での溶解度が低く、W表面に偏析しやすいことが見出された。空孔はW中へのCの溶解を促進し得る。これにより、Cはやや炭化物の特徴を示すようになる。したがって、W-C混合層は複数の相構成を含むはずである。Hの保持は、W-C混合層における相構成に強く依存する。Cの溶解は、隣接する空孔の有無にかかわらず、W中のHの保持を抑制する。脱離実験で観察された炭化水素前駆体は、W-C混合層中の非晶質Cまたは析出物中のC原子にHが結合することによって形成されやすく、タングステン炭化物相やWバルク中では形成されにくい。我々の調査は実験結果を合理的に説明する。