Bubbles seriously degrade the mechanical properties of tungsten and thus threaten the safety of nuclear fusion devices, however, the underlying atomic mechanism of bubble growth from clustered hydrogen and helium atoms is still mysterious. In this work, first-principles calculations are therefore carried out to assess the stability of tungsten atoms around both hydrogen and helium clusters. We find that the closest vacancy-formation energies of interstitial hydrogen and helium clusters are substantially decreased. The first-nearest and second-nearest vacancy-formation energies close to vacancy–hydrogen clusters decrease in a step-like way to ∼0, while those close to vacancy–helium clusters are reduced almost linearly to ∼−5.46 eV when atom number reaches 10. The vacancy-formation energies closest to helium clusters are more significantly reduced than those nearest to hydrogen clusters, whatever the clusters are embedded at interstitial sites or vacancies. The reduction of vacancy-formation energies results in instability and thus emission of tungsten atoms close to interstitial helium and vacancy–helium clusters, which illustrates the experimental results, that the tungsten atoms can be emitted from the vicinity of vacancy–helium clusters. In addition, the emission of unstable tungsten atoms close to hydrogen clusters may become possible once they are disturbed by the environment. The emission of tungsten atoms facilitates the growth and evolution of hydrogen and helium clusters and ultimately the bubble formation. The results also explain the bubble formation even if no displacement damage is produced in tungsten exposed to low-energy hydrogen and helium plasma.
バブルはタングステンの機械的特性を深刻に劣化させ、核融合装置の安全性を脅かすが、クラスター化した水素原子およびヘリウム原子からのバブル成長の根本的な原子メカニズムは依然として謎のままである。そこで本研究では、水素クラスターとヘリウムクラスターの両方の周囲におけるタングステン原子の安定性を評価するために、第一原理計算を実施した。格子間水素クラスターおよびヘリウムクラスターの最も近い空孔形成エネルギーは大幅に減少することが分かった。空孔-水素クラスターの近傍の第一近接および第二近接空孔形成エネルギーは、階段状に∼0まで減少する一方、空孔-ヘリウムクラスターの近傍のものは、原子数が10に達するとほぼ直線的に∼−5.46 eVまで減少する。ヘリウムクラスターに最も近い空孔形成エネルギーは、クラスターが格子間位置または空孔のいずれに埋め込まれているかに関係なく、水素クラスターに最も近いものよりも顕著に減少する。空孔形成エネルギーの減少は不安定性を引き起こし、その結果、格子間ヘリウムクラスターおよび空孔-ヘリウムクラスターの近傍のタングステン原子の放出をもたらす。これは、タングステン原子が空孔-ヘリウムクラスターの近傍から放出され得るという実験結果を説明する。さらに、水素クラスターの近傍の不安定なタングステン原子の放出は、それらが環境によって擾乱されると可能になるかもしれない。タングステン原子の放出は、水素クラスターおよびヘリウムクラスターの成長と発展を促進し、最終的にバブル形成を促進する。これらの結果は、低エネルギー水素・ヘリウムプラズマに曝露されたタングステンにおいて変位損傷が生じない場合でも、バブル形成が起こることをも説明する。