Helium (He) irradiation-induced degradation, particularly through the formation and growth of bubbles, poses a critical challenge for tungsten plasma-facing materials (W-PFMs). In service, these materials often experience tensile strain fields due to thermal cycling and bubble accumulation, yet the underlying physical mechanisms of external strain on the fundamental processes of He bubbles, from self-trapping, nucleation, growth, to long-term evolution, remain unclear. In this work, we systematically investigate these processes under isotropic tensile/compressive strain using multiscale simulations. We reveal that tensile strain induces a counterintuitive behavior: although the He solution energy is lowered under tensile strain, the He–He binding energy is significantly enhanced, a trend opposite to the positive correlation observed across different metals. This originates from the synergistic effect of strain and He, causing the variation in the electronic structure. Furthermore, tensile strain promotes bubble nucleation and growth by facilitating Frenkel pair nucleation and trap mutation. Extending these atomic insights to long-term evolution, we demonstrate how tensile strain accelerates bubble coalescence, rupture, and the early-stage formation of fuzz, consistent with experimental observations of strain-dependent bubble evolution. Crucially, a positive feedback mechanism integrating these findings is suggested: dense bubbles induce a subsurface tensile strain field in PFMs, which in turn further promotes bubble nucleation and growth. The proposed strain-enhanced mechanism informs the development of predictive models for He-induced damage in PFMs under fusion-relevant conditions.
ヘリウム(He)照射誘起劣化、特にバブルの形成と成長を介した劣化は、タングステンプラズマ対向材料(W-PFMs)にとって重大な課題である。使用中、これらの材料は熱サイクルとバブル蓄積により引張ひずみ場を経験することが多いが、外部ひずみがHeバブルの自己捕獲、核形成、成長から長期進展に至る基本プロセスに及ぼす基礎的な物理メカニズムは依然として不明である。本研究では、マルチスケールシミュレーションを用いて、等方性引張/圧縮ひずみ下でのこれらのプロセスを系統的に調査する。我々は、引張ひずみが直感に反する挙動を誘起することを明らかにする: 引張ひずみ下ではHe固溶エネルギーは低下するにもかかわらず、He-He結合エネルギーは有意に増強される。これは、異なる金属間で観察される正の相関とは逆の傾向である。これは、ひずみとHeの相乗効果に起因し、電子構造の変化を引き起こす。さらに、引張ひずみはフレンケルペア核形成とトラップミューテーションを促進することにより、バブルの核形成と成長を促進する。これらの原子スケールの知見を長期進展に拡張し、引張ひずみがバブルの合体、破裂、およびファズの初期形成を加速することを実証する。これは、ひずみ依存性のバブル進展に関する実験的観察と一致する。極めて重要なことに、これらの知見を統合した正のフィードバックメカニズムが示唆される: 高密度バブルはPFMsに表面下引張ひずみ場を誘起し、それがさらにバブルの核形成と成長を促進する。提案されたひずみ増強メカニズムは、核融合関連条件下でのPFMsにおけるHe誘起損傷の予測モデルの開発に情報を提供する。