近日，合肥工业大学孙飞教授课题组在聚变堆钨材料氦泡演化与辐照损伤研究方面取得新进展。相关研究成果“Effects of uniaxial strain and free hydrogen/helium atoms on helium bubble coalescence in tungsten divertor”发表在核聚变领域头部期刊《Nuclear Fusion》上。论文第一作者为硕士生方星宇同学，孙飞教授为通讯作者。

偏滤器是聚变堆中承受热负荷和粒子轰击最集中的部件之一，其服役可靠性直接关系到装置的安全稳定运行。钨作为偏滤器的重要候选材料，在服役过程中会受到高热负荷、氢氦粒子注入及中子辐照的共同作用。氦原子在钨中聚集形成氦泡，氦泡持续膨胀与融合会推动缺陷发展，加剧材料性能退化，并改变氢同位素的滞留与输运。因此，明确实际热应变和氢氦共存环境如何影响氦泡演化，是认识偏滤器损伤积累、改进寿命预测的重要环节。针对这一工程问题，孙飞教授课题组在前期氢同位素输运、缺陷俘获及氦辐照效应研究的基础上，拓展应变与氢氦共存条件下的氦泡协同演化问题。将水冷偏滤器模块的热力学有限元分析与原子尺度分子动力学模拟相结合，研究服役热负荷、局部应变与氦泡演化之间的联系。

有限元分析结果表明，在20 MW/m²表面热流加载下，所建模块的钨层产生明显的非均匀应变。在此基础上，继续开展了单轴应变加载下局部变形及游离氢、氦原子对氦泡融合的影响。结果发现拉伸和压缩应变均能促进氦泡融合，其中压缩作用更为显著。拉伸主要通过降低局部原子密度、减小氦泡扩张阻力发挥作用；压缩则通过缩短氦泡间距、提高泡内压力加速融合。而氢浓度呈现双重影响：低浓度氢促进氦泡融合，高浓度氢则通过占据氦泡扩张所需的缺陷位点抑制融合。游离氦形成的新团簇还会竞争俘获氢，改变氢的空间分布，减少原有氦泡对氢的吸附。该结果证实了，在分析偏滤器钨材料损伤时，需要考虑氢氦积累与热应变的共同作用。该工作还建立了考虑应变和氦泡间距的平衡压力修正关系，为在损伤模型中纳入局部应变与氦泡相互作用提供了依据。本项工作揭示了应变、缺陷俘获及位点竞争对氦泡融合的影响，为理解偏滤器复杂服役环境下钨中氦泡演化与氦致损伤提供了原子尺度参考。

该研究由合肥工业大学、中国工程物理研究院材料研究所、中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所、西安交通大学和日本静冈大学合作完成，获得国家磁约束核聚变能发展研究专项和国家自然科学基金的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1088/1741-4326/aeb819