In fusion reactor, tungsten (W) has been selected as a candidate for plasma-facing materials due to its excellent properties. However, W-PFMs suffer from helium (He) bubbles where He atoms are produced during deuterium tritium fusion in fusion reactors. To date, there have been few contributions to uncovering the formation of He bubbles from the perspective of the microscopic electronic structure of He-mediated tungsten. In this work, we develop a tight-binding potential model for the W–He interaction to study He atom aggregation and nucleation in the electronic ground state as well as in different electronic excited states. The most important finding of this paper is that caused by the He atoms in the vacancy, some d-orbital electrons of the W atoms at the inner wall of the vacancy are transferred to the W atoms farther away from the vacancy, leading to the feature of positively charged W ions at the inner wall of the vacancy. As the number of He atoms in the vacancy increases, these W ions become more cationic. Under the repulsion between these adjacent cationic ions, the volume of vacancies increases, and more He atoms tend to gather and nucleate there. At the same time, the enhancement of the electronic excitation can also promote the abovementioned electron transfer between W atoms and further increase the vacancy volume, which increases the self-aggregation of the He atoms in the vacancy. Our results shed new light on understanding He self-aggregation in many different metal materials.
核融合炉において、タングステン(W)はその優れた特性からプラズマ対向材料の候補として選ばれている。しかしながら、W-PFMは、核融合炉内での重水素・トリチウ牟核融合の際に生成されるHe原子を含むヘリウ牟(He)バブルによる損傷を受ける。これまで、Heが介在するタングステンの微視的電子構造の観点からHeバブルの形成を解明する研究はほんどなかった。本研究では、W–He相互作用のための強結合ポテンシャルモデルを開発し、電子基底状態およびさまざまな電子励起状態におけるHe原子の凝集と核生成を調べる。この論文の最重要もな発見は、空孔内のHe原子によって、空孔の内壁にあるW原子のd軌道電子の一部が空孔からより遠いW原子へ移動し、その結果、空孔の内壁に正に帯電したWイオンという特徴が現れることである。空孔内のHe原子の数が増加するにつれて、これらのWイオンはよりカチオン性が強くなる。これらの隣接するカチオンイオン間の反発により、空孔の体積が増大し、より多くのHe原子がそこに凝集・核生成する傾向がある。同時に、電子励起の増強はまた、上述のW原子間の電子移動を促進し、空孔体積をさらに増大させ、その結果、空孔内のHe原子の自己凝集を増加させる。我々の結果は、多くの異なる金属材料におけるHeの自己凝集を理解するための新たな知見を提供する。