Tritium (T) self-sustainability in fusion reactors demands minimal T retention in plasma-facing materials (PFMs) tungsten (W). While vacancy clusters in W act as strong trapping sites for hydrogen (H) isotopes T, their behavior is significantly altered in a fusion environment where transmutation elements rhenium (Re) and osmium (Os) segregate around these defects. Using systematic ab initio and Object Kinetic Monte Carlo simulations, we investigate the segregation behavior of Re/Os near vacancy clusters and their synergistic impact on H retention in W. Our results reveal that both Re and Os energetically favor segregation around vacancy clusters, with Os exhibiting stronger binding and a more persistent segregation tendency. Crucially, Re/Os decoration significantly reduces the capacity of vacancy clusters to trap H atoms, lowering both the total and incremental binding energies of H. This effect is concentration-dependent, becoming more pronounced at higher Re/Os levels. Moreover, Re/Os segregation reduces the desorption temperature of H from vacancy clusters, facilitating H release and thereby decreasing overall H retention in W. These findings explain the experimental phenomena why H retention in W–Re alloys is orders-of-magnitude lower than in pure W after high-temperature irradiation. These results provide atomic-scale insights into the H retention mechanism in W and offer valuable guidance for designing advanced W-based PFMs with low H inventory.
トリチウム(T)の核融合炉における自己持続性は、プラズマ対向材料(PFM)であるタングステン(W)中でのT保持を最小限にすることを要求する。W中の空孔クラスターは水素(H)同位体Tの強い捕獲サイトとして作用するが、それらの挙動は、核変換元素であるレニウム(Re)およびオスミウム(Os)がこれらの欠陥の周囲に偏析する核融合環境において著しく変化する。系統的な第一原理計算とオブジェクト・キネティック・モンテカルロ(OKMC)シミュレーションを用いて、我々は空孔クラスター近傍でのRe/Osの偏析挙動と、W中のH保持に対するそれらの相乗効果を調査する。我々の結果は、ReとOsの両方がエネルギー的に空孔クラスターの周囲への偏析を好むことを明らかにし、Osはより強い結合とより持続的な偏析傾向を示す。決定的に重要なことには、Re/Osの偏析は空孔クラスターがH原子を捕獲する能力を著しく低下させ、Hの全結合エネルギーと増分結合エネルギーの両方を低下させる。この効果は濃度依存性があり、より高いRe/Osレベルでより顕著になる。さらに、Re/Os偏析は空孔クラスターからのHの脱離温度を低下させ、H放出を促進し、それによってW中の全体的なH保持を減少させる。これらの発見は、高温照射後にW-Re合金中のH保持が純W中よりも桁違いに低いという実験的現象を説明する。これらの結果は、W中のH保持機構に関する原子スケールの洞察を提供し、低Hインベントリを備えた先進的なWベースPFMの設計に貴重な指針を与える。