In a fusion tokamak, the plasma of hydrogen isotopes is in contact with tungsten at the surface of a divertor. In the bulk of the material, the hydrogen concentration profile tends towards dynamic equilibrium between the flux of incident ions and their trapping and release from defects, either native or produced by ion and neutron irradiation. The dynamics of hydrogen exchange between the plasma and the material is controlled by pressure, temperature, and also by the energy barriers characterizing hydrogen diffusion in the material, trapping and de-trapping from defects. In this work, we extend the treatment of interaction of hydrogen with vacancy-type defects, and investigate how hydrogen is trapped by self-interstitial atom defects and dislocations. The accumulation of hydrogen on dislocation loops and dislocations is assessed using a combination of density functional theory (DFT), molecular dynamics with empirical potentials, and linear elasticity theory. The equilibrium configurations adopted by hydrogen atoms in the core of dislocations as well as in the elastic fields of defects, are modelled by DFT. The structure of the resulting configurations can be rationalised assuming that hydrogen atoms interact elastically with lattice distortions and that they interact between themselves through short-range repulsion. We formulate a two-shell model for hydrogen interaction with an interstitial defect of any size, which predicts how hydrogen accumulates at defects, dislocation loops and line dislocations at a finite temperature. We derive analytical formulae for the number of hydrogen atoms forming the Cottrell atmosphere of a mesoscopic dislocation loop or an edge dislocation. The solubility of hydrogen as a function of temperature, pressure and the density of dislocations exhibits three physically distinct regimes, dominated by the solubility of hydrogen in a perfect lattice, its retention at dislocation cores, and trapping by long-range elastic fields of dislocations.
核融合トカマクにおいて、水素同位体のプラズマはダイバータ表面のタングステンと接触する。材料のバルク中では、水素濃度プロファイルは、入射イオンフラックスと、欠陥（自然欠陥またはイオン・中性子照射によって生成された欠陥）への捕捉および欠陥からの放出との間の動的平衡に向かう傾向がある。プラズマと材料の間の水素交換の動力学は、圧力、温度、ならびに材料中の水素拡散、欠陥への捕捉および欠陥からの放出を特徴づけるエネルギー障壁によって制御される。本研究では、水素と空孔型欠陥との相互作用の取り扱いを拡張し、水素が自己格子間原子型欠陥および転位によってどのように捕捉されるかを調査する。転位ループおよび転位への水素の蓄積は、密度汎関数理論（DFT）、経験的ポテンシャルを用いた分子動力学法、および線形弾性論の組み合わせを用いて評価される。転位芯内および転位の弾性場中における水素原子の平衡配置はDFTによってモデル化される。得られた配置の構造は、水素原子が格子ひずみと弾性的に相互作用し、かつ水素原子同士が短距離斥力を介して相互作用すると仮定することで合理的に説明できる。我々は、任意のサイズの格子間型欠陥に対する水素相互作用の二殻モデルを定式化し、このモデルが、有限温度において欠陥、転位ループおよび直線転位に水素がどのように蓄積するかを予測することを示す。メソスコピックな転位ループまたは刃状転位のコットレル雰囲気を形成する水素原子数の解析式を導出する。温度、圧力および転位密度の関数としての水素溶解度は、完全結晶中の水素溶解度、転位芯における保持、および転位の長距離弾性場による捕捉によって支配される、三つの明確に異なる領域を示す。