We have performed systematic first-principles calculations to predict the interaction between transition metal (TM) solutes and hydrogen in the interstitial site as well as the vacancy in tungsten. We showed that the site preference of the hydrogen atom is significantly influenced by the solute atoms, which can be traced to the charge density perturbation in the vicinity of the solute atom. The solute-H interactions are mostly attractive except for Re, which can be well understood in terms of the competition between the chemical and elastic interactions. The chemical interaction dominates the solute-H interaction for the TM solutes with a large atomic volume and small electronegativity compared to tungsten, while the elastic interaction is primarily responsible for the solute-H interaction for the TM solutes with a small atomic volume and large electronegativity relative to tungsten. The presence of a hydrogen atom near the solute atom has a negative effect on the binding of other hydrogen atoms. The large positive binding energies among the solute, vacancy and hydrogen suggest that they would easily form a defect cluster in tungsten, where the solute-vacancy and vacancy-H interaction contribute greatly while the solute-H interaction contributes a little. Our result provides a sound theoretical explanation for recent experimental phenomena of hydrogen retention in the tungsten alloy and further recommends a suitable W–Re–Ta ternary alloy for possible plasma-facing materials (PFMs) including the consideration of the hydrogen retention.
我々は、タングステン中の空孔および格子間位置における水素と遷移金属(TM)溶質との間の相互作用を予測するために、系統的な第一原理計算を実施した。水素原子のサイト選好性は溶質原子によって有意に影響を受け、これは溶質原子近傍の電荷密度摂動に起因することを示した。溶質-水素間相互作用はReを除いてほとんどが引力であり、これは化学的相互作用と弾性相互作用の競合によってよく理解できる。化学的相互作用は、タングステンと比較して原子体積が大きく電気陰性度が小さいTM溶質では溶質-水素間相互作用を支配する一方、弾性相互作用は、タングステンと比較して原子体積が小さく電気陰性度が大きいTM溶質の溶質-水素間相互作用に主に寄与する。溶質原子近傍の水素原子の存在は、他の水素原子の結合に負の影響を及ぼす。溶質、空孔、水素間の大きな正の結合エネルギーは、それらがタングステン中で容易に欠陥クラスターを形成することを示唆しており、そこでは溶質-空孔間および空孔-水素間相互作用が大きく寄与する一方、溶質-水素間相互作用の寄与は小さい。我々の結果は、タングステン合金における水素保持の最近の実験的現象に対する確固たる理論的説明を提供し、さらに、水素保持を考慮したプラズマ対向材料(PFM)の候補として適切なW-Re-Ta三元合金を提案するものである。