The formation of transmutation solute-rich precipitates has been reported to seriously degrade the mechanical properties of tungsten in a fusion environment. However, the underlying mechanisms controlling the formation of the precipitates are still unknown. In this study, first-principles calculations are therefore performed to systemically determine the stable structures and binding energies of solute clusters in tungsten consisting of tantalum, rhenium and osmium atoms as well as irradiation-induced vacancies. These clusters are known to act as precursors for the formation of precipitates. We find that osmium can easily segregate to form clusters even in defect-free tungsten alloys, whereas extremely high tantalum and rhenium concentrations are required for the formation of clusters. Vacancies greatly facilitate the clustering of rhenium and osmium, while tantalum is an exception. The binding energies of vacancy–osmium clusters are found to be much higher than those of vacancy–tantalum and vacancy–rhenium clusters. Osmium is observed to strongly promote the formation of vacancy–rhenium clusters, while tantalum can suppress the formation of vacancy–rhenium and vacancy–osmium clusters. The local strain and electronic structure are analyzed to reveal the underlying mechanisms governing the cluster formation. Employing the law of mass action, we predict the evolution of the relative concentration of vacancy–rhenium clusters. This work presents a microscopic picture describing the nucleation and growth of solute clusters in tungsten alloys in a fusion reactor environment, and thereby explains recent experimental phenomena.
核変換生成溶質リッチ析出物の形成は、核融合環境においてタングステンの機械的特性を著しく劣化させることが報告されている。しかしながら、析出物の形成を制御する根本的なメカニズムは依然として不明である。そこで本研究では、タンタル、レニウム、オスミウム原子および照射誘起空孔からなるタングステン中の溶質クラスターの安定構造と結合エネルギーを系統的に決定するために、第一原理計算を実施した。これらのクラスターは、析出物形成の前駆体として作用することが知られている。我々は、オスミウムは欠陥のないタングステン合金中でも容易に偏析してクラスターを形成できるのに対し、タンタルとレニウムはクラスター形成に極めて高い濃度が必要であることを見出した。空孔はレニウムとオスミウムのクラスター形成を大幅に促進するが、タンタルは例外である。空孔-オスミウムクラスターの結合エネルギーは、空孔-タンタルクラスターおよび空孔-レニウムクラスターの結合エネルギーよりもはるかに高いことが見出された。オスミウムは空孔-レニウムクラスターの形成を強く促進することが観察され、一方タンタルは空孔-レニウムクラスターおよび空孔-オスミウムクラスターの形成を抑制できる。クラスター形成を支配する根本的なメカニズムを明らかにするために、局所ひずみと電子構造を解析した。質量作用の法則を用いて、空孔-レニウムクラスターの相対濃度の時間発展を予測する。本研究は、核融合炉環境におけるタングステン合金中の溶質クラスターの核形成と成長を記述する微視的描像を提示し、それによって最近の実験的現象を説明するものである。