We have investigated the dissolution, segregation and diffusion of hydrogen (H) in a tungsten (W) grain boundary (GB) using a first-principles method in order to understand the GB trapping mechanism of H. Optimal charge density plays an essential role in such a GB trapping mechanism. Dissolution and segregation of H are directly associated with the optimal charge density, which can be reflected by the H solution and segregation energy sequence for the different interstitial sites. To occupy the optimal-charge-density site, H can be easily trapped by the W GB with the solution and segregation energy of −0.23 eV and −1.11 eV, respectively. Kinetically, such a trapping is easier to realize due to the much lower diffusion barrier of 0.13–0.16 eV from the bulk to the GB in comparison with the segregation energy, suggesting that it is quite difficult for the trapped H to escape out of the GB. However, the GB can hold no more than 2 H atoms because the isosurface of optimal charge density almost disappears with the second H atom in, leading to the conclusion that H2 molecule and thus H bubble cannot form in the W GB. Taking into account the lower vacancy formation energy in the GB as compared with the bulk, we propose that the experimentally observed H bubble formation in the W GB should be via a vacancy trapping mechanism.
我々は、第一原理計算を用いて、タングステン（W）粒界（GB）における水素（H）の溶解、偏析、および拡散を調査し、GBにおけるHのトラップ機構を解明した。最適電荷密度は、このようなGBトラップ機構において本質的な役割を果たす。Hの溶解と偏析は最適電荷密度と直接関連しており、これは異なる格子間サイトに対するHの溶解エネルギーと偏析エネルギーの序列に反映される。最適電荷密度サイトを占有するために、Hは−0.23 eVの溶解エネルギーと−1.11 eVの偏析エネルギーを持つW粒界に容易にトラップされ得る。速度論的には、このようなトラップは、バルクからGBへの拡散障壁が0.13〜0.16 eVと偏析エネルギーよりもはるかに低いため、実現が容易である。このことは、トラップされたHがGBから脱出することが極めて困難であることを示唆している。しかしながら、GBは最大2個のH原子しか保持できず、2個目のH原子の侵入により最適電荷密度の等値面がほぼ消失するため、W粒界内ではH₂分子およびHバブルは形成され得ないという結論に至る。バルクと比較したGBにおける空孔形成エネルギーの低下を考慮すると、実験的に観察されるW粒界でのHバブル形成は、空孔トラップ機構を介して生じるはずである。