In a fusion reactor environment, the irradiation of neutrons and helium (He) plasma produces a great number of self-interstitial atoms and vacancies in tungsten (W), which inevitably interact with alloying solutes to form mixed self-interstitial atoms and substitutional solutes. The interactions of solutes with He atoms affect the behaviors of both, and ultimately cause the formation of solute precipitates and He bubbles; however, the micro-mechanisms of this are still mysterious. In this work, we perform systematic ab initio calculations to study the mutual influence of solutes and He atoms on their behaviors. It is found that most of the considered solutes bind tightly with the most stable dumbbells forming mixed or dumbbells. Solute-mixed dumbbells can act as trapping centers for He atoms. Mixed dumbbells bind very tightly with interstitial He atoms and all the binding energies are larger than 1.0 eV. Compared with the energy for the formation of a W Frenkel pair with the presence of He, the energies needed for the formation of most solute-mixed Frenkel pairs are decreased while titanium, zirconium, niobium, hafnium, and tantalum-mixed Frenkel pairs are exceptions. Similarly, substitutional solutes can also trap interstitial and substitutional He atoms, and solutes bind stronger with interstitial He followed by and solutes while it is the opposite for interactions of substitutional solutes with substitutional He atoms. The underlying reasons controlling the interactions of mixed dumbbells and substitutional solutes with interstitial and substitutional He atoms are analyzed.
核融合炉環境において、中性子およびヘリウム（He）プラズマの照射は、タングステン（W）中に多数の自己格子間原子と空孔を生成し、これらは必然的に合金元素と相互作用して混合自己格子間原子および置換型溶質原子を形成する。溶質原子とHe原子の相互作用は両者の挙動に影響を及ぼし、最終的には溶質析出物とHeバブルの形成を引き起こすが、その微視的メカニズムは未だ解明されていない。本研究では、第一原理計算を系統的に実施し、溶質原子とHe原子が互いの挙動に及ぼす影響を調査した。その結果、ほとんどの溶質原子は最も安定な自己格子間原子ダンベルと強く結合し、混合ダンベルまたは混合ダンベルを形成することが明らかになった。混合ダンベルはHe原子の捕獲サイトとして機能し得る。混合ダンベルは格子間He原子と非常に強く結合し、すべての結合エネルギーは1.0 eVを超える。Wフレンケル対の形成エネルギーと比較して、Heの存在下ではほとんどの溶質-混合フレンケル対の形成に必要なエネルギーは減少するが、チタン、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、タンタルを含む混合フレンケル対は例外である。同様に、置換型溶質原子も格子間He原子および置換型He原子を捕獲でき、溶質原子は格子間He原子とより強く結合し、その後、溶質原子が続き、置換型He原子との置換型溶質原子の相互作用はその逆である。混合ダンベルおよび置換型溶質原子と格子間He原子および置換型He原子との相互作用を支配する根本的な理由を分析した。