Tritium (T) retention in plasma-facing materials (PFMs) raises significant radiological safety concerns and adversely affects the self-sustained burning of T in fusion reactors. Therefore, the removal of retained T from PFMs has become an urgent task. Hydrogen isotope (HI) exchange has proven to be an effective method for T removal. However, the microscopic mechanisms, particularly the role of isotope effects, remain insufficiently understood. For the first time, this work employs path integral molecular dynamics to account for the nuclear quantum effects of HIs and explore the microscopic mechanisms of HI exchange in tungsten (W) vacancies. Atomic-scale simulations reveal that the fundamental principle of HI exchange is the reduction in binding energy between HIs and vacancies as the defect filling level increases, involving two key processes: de-trapping and trapping. These processes are influenced by isotope effects, with pronounced differences observed at low temperatures. Notably, T exhibits a higher probability of de-trapping from vacancies compared to hydrogen (H), while vacancies demonstrate a stronger affinity for trapping H. In contrast, the isotope effect is less pronounced between deuterium (D) and H, leading to different exchange efficiencies between H and T, as well as between D and T. Based on these isotope effects, we proposed a detailed microscopic mechanism for HI exchange in vacancies and developed a T evolution model that accounts for variations in HI concentrations. This work advances our understanding of HI exchange for T removal applications and offers a more accurate assessment of T retention in future D–T environments.
トリチウム（T）のプラズマ対向材料（PFMs）への保持は、重大な放射線安全上の懸念を引き起こし、核融合炉におけるTの自立的燃焼に悪影響を及ぼす。したがって、PFMsからの保持Tの除去は緊急の課題となっている。水素同位体（HI）交換は、T除去の効果的な方法であることが実証されている。しかしながら、微視的メカニズム、特に同位体効果の役割は未だ十分に理解されていない。本研究は、初めて経路積分分子動力学を採用し、HIの核量子効果を考慮して、タングステン（W）空孔におけるHI交換の微視的メカニズムを探求する。原子スケールのシミュレーションにより、HI交換の基本原理は、欠陥充填レベルが増加するにつれてHIと空孔の間の結合エネルギーが減少することであり、デトラッピングとトラッピングという2つの重要なプロセスを含むことが明らかにされた。これらのプロセスは同位体効果の影響を受け、低温では顕著な差異が観察される。特に、Tは水素（H）と比較して空孔からデトラッピングする確率が高い一方、空孔はHをトラッピングする親和性がより強いことを示す。対照的に、重水素（D）とHの間の同位体効果はそれほど顕著ではなく、HとTの間、およびDとTの間で異なる交換効率をもたらす。これらの同位体効果に基づき、我々は空孔におけるHI交換の詳細な微視的メカニズムを提案し、HI濃度の変動を考慮したT進化モデルを開発した。この研究は、T除去応用のためのHI交換の理解を前進させ、将来のD–T環境におけるT保持のより正確な評価を提供するものである。