The behaviours of hydrogen and helium in tungsten are vitally important in fusion research because they can result in the degradation of the material. In the present work, we carry out density-functional theory calculations to investigate the clustering of hydrogen and helium atoms at interstitial sites, vacancy and small vacancy clusters (Vacm, m = 2, 3), and the influence of hydrogen and helium on vacancy evolution in tungsten. We find that hydrogen atoms are extremely difficult to aggregate at interstitial sites to form a stable cluster in tungsten. However, helium atoms are energetically favourable to cluster together in a close-packed arrangement between (1 1 0) planes forming helium monolayer structure, where the helium atoms are not perfectly in one plane. Both hydrogen and helium prefer to aggregate stably in vacancy and small vacancy cluster forming VacmXn (X = H, He). The concentrations of VacmHn (m = 1) clusters relative to temperature are evaluated through the law of mass action. The present calculations also show that the emission of a 〈1 1 1〉 dumbbell self-interstitial atom (SIA) from Hen to form VacHen and from VacHen to form Vac2Hen may take place for n > 5 and n > 9, respectively. According to the present results, we predict that a helium monolayer structure could nucleate for He atom platelet lying on (1 1 0) plane in tungsten, and the helium platelet formation on (1 1 0) plane in molybdenum observed by the experiment may be due to the initial monolayer arrangement of He atoms at interstitial sites. Meanwhile, our results contribute to the understanding for nucleation and the development of the voids and blisters in tungsten that are observed in the experiments.
水素とヘリウムのタングステン中における挙動は、材料の劣化を引き起こす可能性があるため、核融合研究において極めて重要である。本研究では、密度汎関数理論計算を用いて、格子間位置、空孔、および小さな空孔クラスター（Vacm、m = 2、3）における水素とヘリウム原子のクラスタリング、ならびにタングステン中の空孔発展に対する水素とヘリウムの影響を調査した。その結果、水素原子はタングステン中の格子間位置において安定なクラスターを形成するために凝集することは極めて困難であることがわかった。一方、ヘリウム原子は（1 1 0）面間において最密充填配置でクラスタリングし、ヘリウム単層構造を形成することがエネルギー的に有利であるが、その際ヘリウム原子は完全に同一平面上には配置されない。水素とヘリウムの両方は、空孔および小さな空孔クラスター内で安定に凝集し、VacmXn（X = H、He）を形成することを好む。VacmHn（m = 1）の濃度の温度依存性は、質量作用の法則を用いて評価した。さらに、計算結果は、n > 5およびn > 9の場合において、それぞれHenからの〈1 1 1〉ダンベル型自己格子間原子（SIA）の放出がVacHenおよびVac2Henの形成につながる可能性があることを示している。これらの結果に基づき、タングステン中の（1 1 0）面上にヘリウム原子が平板状に配置することでヘリウム単層構造が核形成し得ると予測される。また、実験で観察されたモリブデン中の（1 1 0）面上でのヘリウム板状組織の形成は、格子間位置におけるヘリウム原子の初期単層配列に起因する可能性がある。さらに、本研究の結果は、実験で観察されるタングステン中のボイドおよびブリスターの核形成と成長の理解に貢献するものである。