The solubility and bubble formation of hydrogen (H) in tungsten (W) are crucial factors for the application of W as a plasma-facing component under a fusion environment, but the data and mechanism are presently scattered, indicating some important factors might be neglected. High-energy neutron-irradiated W inevitably causes a local strain, which may change the solubility of H in W. Here, we performed first-principles calculations to predict the H solution behaviors under isotropic strain combined with temperature effect in W and found that the H solubility in interstitial lattice can be promoted/impeded by isotropic tensile/compressive strain over the temperature range 300–1800 K. The calculated H solubility presents good agreement with the experiment. Together, our previous results of anisotropic strain, except for isotropic compression, both isotropic tension and anisotropic tension/compression enhance H solution so as to reveal an important physical implication for H accumulation and bubble formation in W: strain can enhance H solubility, resulting in the preliminary nucleation of H bubble that further causes the local strain of W lattice around H bubble, which in turn improves the H solubility at the strained region that promotes continuous growth of the H bubble via a chain-reaction effect in W. This result can also interpret the H bubble formation even if no radiation damage is produced in W exposed to low-energy H plasma.
水素（H）のタングステン（W）中における溶解度とバブル形成は、核融合環境下でのプラズマ対向材料としてのWの応用にとって重要な因子であるが、そのデータとメカニズムは現在散在しており、いくつかの重要な因子が見落とされている可能性があることを示している。高エネルギー中性子照射されたWは必然的に局所ひずみを引き起こし、それがW中でのHの溶解度を変化させる可能性がある。ここでは、温度効果と組み合わせた等方性ひずみ下でのHの溶解挙動を予測するために第一原理計算を実行し、W中の格子間位置におけるH溶解度が、温度範囲300–1800 Kにおいて等方性引張/圧縮ひずみによって促進/抑制され得ることを見出した。計算されたH溶解度は実験と良好な一致を示す。併せて、異方性ひずみに関する我々の以前の結果は、等方性圧縮を除き、等方性引張と異方性引張/圧縮の両方がHの溶解を促進し、W中でのHの蓄積とバブル形成に関する重要な物理的含意を明らかにする：ひずみはH溶解度を高め、Hバブルの初期核形成をもたらし、それがさらにHバブル周囲のW格子の局所ひずみを引き起こし、その結果、ひずみ領域でのH溶解度が向上し、W中での連鎖反応効果によるHバブルの連続的成長を促進する。この結果は、低エネルギーHプラズマに曝されたWにおいて照射損傷が生じない場合でもHバブル形成が起こることをも解釈できる。