近日，等離子體所聚變堆材料及部件研究室周海山課題組在輻照缺陷對α-氧化鋁阻氚涂層阻氚性能影響機理方面取得新進展。相關成果以“Influence of irradiation-induced point defects on the dissolution and diffusion properties of hydrogen in α-Al₂O₃: a first-principles study”為題發表在核聚變領域核心期刊Nuclear Fusion上 (Xin-Dong Pan et al 2021 Nucl. Fusion 61 036004)。

　　未來聚變堆中，為了降低燃料損失、實現氚的自持，氚增殖包層結構材料及其輔助系統必須具有盡可能低的氚滲透率。除了可靠的包層和涉氚系統結構設計外，在涉氚部件的內外表面涂覆阻氚涂層是降低氚滲透率的有效措施。然而，在聚變堆內，阻氚涂層受到高能中子輻照會產生大量輻照缺陷，可能影響材料的阻氚性能。

　　α-氧化鋁被認為是聚變堆阻氚涂層的理想候選材料，課題組采用基于密度泛函的第一性原理計算方法模擬氫在含有不同輻照點缺陷的α-氧化鋁內部的溶解擴散行為，研究氫與輻照點缺陷的相互作用，探索氫的存在形式，揭示輻照點缺陷對其阻氚性能的影響機理。通過研究發現氫在α-氧化鋁內部非常容易被空位型點缺陷特別是鋁空位捕獲，從而以氫-空位團簇的形式存在，然而氫-空位團簇在α-氧化鋁很難擴散，所以孤立的空位型點缺陷可以在一定的程度上提升α-氧化鋁的阻氚性能。氧間隙原子也可以和氫結合形成O_iH-，并以O_iH-的形式進行擴散。由于O_iH-的擴散能壘非常小，以致其在室溫下就可以快速遷移。所以氧間隙原子會削弱其阻氚性能。除此之外，課題組還發現，在無輻照的情況下，氫在水環境下更容易滲透進入α-氧化鋁，然而在輻照條件下，在氫氣環境下更容易滲透進入α-Al₂O₃。該項研究對于聚變堆阻氚涂層的設計、制備和服役評估具有重要參考價值。本研究得到了ITER專項、國家自然科學基金以及中科院青促會項目的支持。

　　論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/abcf8c 

　　氫-缺陷團簇的形成能隨費米能級的變化曲線