To understand the irradiation resistance and hydrogen (H) behavior in tungsten borides (WxBy) in a burning plasma fusion environment, the energetics of intrinsic point defects and H in six stable ground state W borides, including W2B, WB, WB2, W2B5, WB3 and WB4, have been investigated using first-principles density functional theory calculations. The results show that the formation energies of interstitials and vacancies do not directly depend on the W and B content in W borides. However, the interaction between vacancies of a stoichiometric vacancy (SV) cluster in WxBy is related to the atomic ratio of B to W (y/x). The vacancies of a minimum-size SV cluster in WxBy are energetically repulsive for y/x ⩽ 1, while the vacancies energetically bind together for y/x larger than 1. The formation energy of B Frenkel pairs in each W boride is lower than that of W Frenkel pairs. Among the six evaluated WxBy compositions, WB has the highest and the lowest formation energy of H interstitials and H-vacancy complexes, respectively; however, these two energies in WB2 are in reverse order. The average H binding energies to single vacancies in WB and WB4 are comparable with that in W, while this binding energy in WB3 and WB2 is obviously higher or lower than in W, respectively. The diffusion activation energy of H in W borides is anisotropic. One dimensional (1D) diffusion of H in W2B, as well as 1D/2D diffusion in WB, W2B5, WB3 and WB4 are preferred at relatively low temperatures; however, three-dimensional diffusion of H is predicted in WB2. The diffusion activation energy of H generally increases with B content in W borides due to the increasing local charge deficit caused by strong B–B covalent bonds. This study is useful for evaluating the performance of W borides in a fusion environment.
燃焼プラズマ核融合環境におけるタングステン硼化物（WxBy）の耐照射性と水素（H）挙動を理解するために、W2B、WB、WB2、W2B5、WB3、WB4を含む6つの安定な基底状態のタングステン硼化物における内在的点欠陥とHのエネルギー論を、第一原理密度汎関数理論計算を用いて調査した。その結果、格子間原子と空孔の形成エネルギーは、タングステン硼化物中のWおよびB含有量に直接依存しないことが示された。しかしながら、WxByにおける化学量論的空孔（SV）クラスターの空孔間の相互作用は、BとWの原子比（y/x）に関連している。WxByにおける最小サイズのSVクラスターの空孔は、y/x ≤ 1の場合にはエネルギー的に反発するが、y/xが1より大きい場合にはエネルギー的に結合する。各タングステン硼化物におけるBフレンケル対の形成エネルギーは、Wフレンケル対のそれよりも低い。評価した6つのWxBy組成のうち、WBはH格子間原子およびH-空孔複合体の形成エネルギーがそれぞれ最も高く、最も低い。しかしながら、WB2におけるこれら2つのエネルギーは逆の順序である。WBおよびWB4における単一空孔への平均H結合エネルギーは、Wにおけるそれと同等である一方、WB3およびWB2におけるこの結合エネルギーは、それぞれWにおけるそれよりも明らかに高いか低い。W硼化物におけるHの拡散活性化エネルギーは異方的である。W2BにおけるHの一次元（1D）拡散、ならびにWB、W2B5、WB3およびWB4における1D/2D拡散は、比較的低い温度で優先される。しかしながら、WB2においてはHの三次元拡散が予測される。W硼化物におけるHの拡散活性化エネルギーは、強いB–B共有結合による局所電荷欠損の増加により、一般的にB含有量とともに増加する。本研究は、核融合環境におけるW硼化物の性能評価に有用である。