Low-energy, high-flux hydrogen irradiation is known to induce bubble formation in tungsten, but its atomistic mechanisms remain little understood. Using first-principles calculations and statistical models, we studied the self-clustering behaviour of hydrogen in tungsten. Unlike previous speculations that the hydrogen self-clusters are energetically unstable owing to the general repulsion between two hydrogen atoms, we found that 2D platelet-like hydrogen self-clusters could form at high hydrogen concentrations. The attractive binding energy of the hydrogen self-cluster becomes larger as the cluster size increases and plateaus at 0.38 eV/H around size of 40. We found that hydrogen atoms would form 2D platelet-like structures along planes. These hydrogen self-clustering behaviours can be quantitatively understood by the competition between long-ranged elastic attraction and local electronic repulsion among hydrogens. Further analysis showed hydrogen self-clusters to be kinetically feasible and thermodynamically stable above a critical hydrogen concentration. Based on this critical hydrogen concentration, we predicted the hydrogen irradiation condition required for the formation of hydrogen self-clusters. Our predictions showed excellent agreement with the experimental results of hydrogen bubble formation in tungsten exposed to low-energy hydrogen irradiation. Finally, we proposed a possible mechanism for the hydrogen bubble nucleation via hydrogen self-clustering. This work provides mechanistic insights and quantitative models towards understanding of plasma-induced hydrogen bubble formation in plasma-facing tungsten.
低エネルギー・高フラックスの水素照射はタングステン中にバブル形成を誘起することが知られているが、その原子論的メカニズムはほとんど理解されていない。第一原理計算と統計モデルを用いて、我々はタングステン中での水素の自己クラスタリング挙動を研究した。2つの水素原子間の一般的な反発のために水素自己クラスターはエネルギー的に不安定であるという以前の推測とは異なり、我々は高水素濃度において2次元プレートレット状の水素自己クラスターが形成し得ることを見出した。水素自己クラスターの引力結合エネルギーは、クラスターサイズが増大するにつれて大きくなり、サイズ約40において0.38 eV/Hで頭打ちとなる。我々は、水素原子が 面に沿って2次元プレートレット状構造を形成することを見出した。これらの水素自己クラスタリング挙動は、水素間の長距離弾性的引力と局所的電子反発の間の競合によって定量的に理解できる。さらなる解析により、水素自己クラスターは速度論的に実現可能であり、臨界水素濃度以上で熱力学的に安定であることが示された。この臨界水素濃度に基づき、我々は水素自己クラスター形成に必要な水素照射条件を予測した。我々の予測は、低エネルギー水素照射に曝されたタングステン中の水素バブル形成に関する実験結果と優れた一致を示した。最後に、我々は水素自己クラスタリングを介した水素バブル核形成の可能なメカニズムを提案した。本研究は、プラズマ対向タングステンにおけるプラズマ誘起水素バブル形成の理解に向けた機構論的洞察と定量的モデルを提供する。