Helium (He) is a typical impurity element and plays a crucial role in the microstructural evolution in nuclear materials under irradiation. Here, we systematically investigate the interactions between He and self-interstitial atoms (SIAs) as well as their influences on the kinetic behaviors of SIAs in tungsten (W), using both first-principles and object kinetic Monte Carlo methods. It is found that there are attractive interactions between He and SIAs, which become stronger with the increasing of SIA numbers. Specifically, the He-SIA1 and He-SIA2 complexes adopt a three-dimensional (3D) migration pattern with an effective energy barrier of 0.38 and 0.61 eV, respectively, which is completely different from the 1D migration of SIAs in W (⩽0.033 eV) without He. Such an unexpected collaborative 3D motion of He-SIA complexes increases the probability of vacancy-interstitial recombination and reduces the number of surviving defects. Consequently, our calculations reveal the enhanced effect of He on the self-healing efficiency in W, which is originated from the collaborative 3D motion of He-SIA complexes. The current results can improve our fundamental understanding of the influence of He on the evolution of irradiation defects and have great implications to estimate the performance of W-PFMs in fusion environment.
ヘリウム（He）は代表的な不純物元素であり、照射下における核材料の微細組織発展において重要な役割を果たす。本研究では、第一原理計算とオブジェクト運動論的モンテカルロ法を用いて、タングステン（W）中のHeと自己格子間原子（SIA）との間の相互作用、およびそれらがSIAの運動挙動に及ぼす影響を系統的に調査した。その結果、HeとSIAの間には引力相互作用が存在し、SIA数の増加に伴ってその相互作用は強くなることが明らかになった。具体的には、He-SIA1およびHe-SIA2複合体は、それぞれ0.38 eVおよび0.61 eVの有効エネルギー障壁を持つ三次元（3D）移動パターンを示し、これはHeを含まないW中のSIAの一次元（1D）移動（≤0.033 eV）とは完全に異なるものである。このような予想外のHe-SIA複合体の協同的3D移動は、空孔-格子間原子の再結合確率を増加させ、生存欠陥の数を減少させる。その結果、我々の計算は、HeがWの自己修復効率を向上させる効果を明らかにし、これはHe-SIA複合体の協同的3D移動に由来するものである。今回の結果は、照射欠陥の進展に対するHeの影響の基本的理解を深め、核融合環境におけるW-PFMの性能評価に重要な示唆を与えるものである。