We investigate the behaviors of rhenium (Re) and osmium (Os) and their interactions with point defects in tungsten (W) using a first-principles method. We show that Re atoms are energetically favorable to disperse separately in bulk W due to the Re–Re repulsive interaction. Despite the attractive interaction between Os atoms, there is still a large activation energy barrier of 1.10 eV at the critical number of 10 for the formation of Os clusters in bulk W based on the results of the total nucleation free energy change. Interestingly, the presence of vacancy can significantly reduce the total nucleation free energy change of Re/Os clusters, suggesting that vacancy can facilitate the nucleation of Re/Os in W. Re/Os in turn has an effect on the stability of the vacancy clusters (Vn) in W, especially for small vacancy clusters. A single Re/Os atom can raise the total binding energies of V2 and V3 obviously, thus enhancing their formation. Further, we demonstrate that there is a strong attractive interaction between Re/Os and self-interstitial atoms (SIAs). Re/Os could increase the diffusion barrier of SIAs and decrease their rotation barrier, while the interstitial-mediated path may be the optimal diffusion path of Re/Os in W. Consequently, the synergistic effect between Re/Os and point defects plays a key role in Re/Os precipitation and the evolution of defects in irradiated W.
我々は、第一原理計算を用いて、タングステン(W)中のレニウム(Re)およびオスミウム(Os)の挙動と、それらと点欠陥との相互作用を調査した。Re原子は、Re–Re反発相互作用により、バルクW中で個別に分散することがエネルギー的に有利であることを示す。Os原子間には引力相互作用があるにもかかわらず、全核形成自由エネルギー変化の結果に基づくと、バルクW中でのOsクラスター形成には、臨界数10において依然として1.10 eVの大きな活性化エネルギー障壁が存在する。興味深いことに、空孔の存在はRe/Osクラスターの全核形成自由エネルギー変化を有意に減少させることができ、空孔がW中でのRe/Osの核形成を促進し得ることを示唆している。逆に、Re/OsはW中の空孔クラスター(Vn)の安定性、特に小さな空孔クラスターの安定性に影響を及ぼす。単一のRe/Os原子は、V2およびV3の全結合エネルギーを明らかに上昇させ、それらの形成を促進する。さらに、Re/Osと自己格子間原子(SIA)との間には強い引力相互作用が存在することを実証する。Re/OsはSIAの拡散障壁を増加させ、その回転障壁を減少させ得る一方、格子間原子媒介経路がW中でのRe/Osの最適な拡散経路である可能性がある。結果として、Re/Osと点欠陥との間の相乗効果は、照射されたWにおけるRe/Osの析出および欠陥の進化において重要な役割を果たす。