近日，合肥工业大学孙飞教授课题组在聚变堆钨材料氢同位素输运与除氚研究方面取得新进展。相关成果以“Fast diffusion of hydrogen isotopes at low temperatures and the influence of isotope effects on exchange behavior”为题发表于核材料领域权威期刊《Journal of Nuclear Materials》。论文第一作者为博士生刘启航同学，孙飞教授为通讯作者。

在未来聚变堆中，钨将直接面对高温等离子体。作为聚变燃料的氚会不断注入钨并被材料缺陷俘获，既造成燃料损失，也带来放射性安全风险。用氢或氘把已经滞留的氚“置换”出来，是一种有望在较低温度下实施的除氚途径。然而，究竟选用哪一种同位素作为交换介质、能够作用多深、除氚效率有多高，首先取决于氢同位素能否在钨中快速扩散。传统模型通常将氢、氘、氚视为遵循经典热激活规律的粒子，但在低温区，质量很轻的氢核会表现出明显的零点振动和量子隧穿，简单的经典外推可能无法准确描述其输运行为。

围绕这一问题，孙飞教授课题组前期在国际上首次提出了考虑核量子效应的氢同位素竞争再俘获机制，并建立钨空位内的氢同位素交换模型，揭示了缺陷尺度上不同同位素的竞争占据与置换行为（Nuclear Fusion, 65 (2025) 016047）。本次工作继续向前推进了一步：将研究从“缺陷内如何交换”拓展到“氢同位素如何在钨体相中迁移，并进一步控制宏观交换除氚效果”。研究采用路径积分分子动力学计算氢、氘、氚的自由能扩散势垒，结合质心分子动力学获得300 K至1000 K范围内的扩散系数，同时考察高通量辐照下1-5 at.%氢同位素浓度对扩散的影响，最后将量子修正后的扩散数据引入宏观速率理论交换模型。

研究发现，核量子效应能够降低氢同位素在钨中的扩散势垒，使其在低温下仍保持较快扩散，并显著放大氢、氘、氚之间的扩散差异。这一效应在500 K以下尤为突出，扩散行为由经典热激活逐步转向量子效应主导。高浓度氢同位素会推高扩散势垒并抑制扩散，但低温下增强的核量子效应能够补偿高浓度对同位素效应的削弱，使不同同位素的扩散差异重新凸显，呈现出不同于经典理论预期的温度依赖规律。

进一步的宏观交换模拟表明，在500 K、5 mm厚钨材料和相同处理时间等设定条件下，采用质量最轻的氢与氚交换，其氚释放量比氘-氚交换提高约25%；有效交换深度由约400微米增至约500微米，同样提升约25%。这说明轻氢的优势主要来自有限时间内更快的扩散动力学：氢能够更早进入材料深部，接近并置换深层缺陷中的氚，而不是改变体系最终的热力学平衡。该结果为交换介质选择、处理温度与时间窗口优化提供了更明确的理论依据。

近年来，孙飞教授课题组围绕聚变堆面向等离子体材料中“氚如何滞留、如何迁移、如何高效移除”这一关键难题，持续开展氢同位素扩散与俘获/解俘获、氦泡位置效应、空位动态演化、竞争再俘获及交换除氚等研究，逐步建立了从原子尺度量子行为、介观缺陷演化到宏观输运与交换预测的多尺度研究链条，形成了系列原创性成果。本项工作进一步将核量子效应显式纳入氢同位素体扩散与宏观交换的统一框架，完善了交换除氚理论体系，体现了课题组在该方向研究的原创性、系统性与国际前沿水平。

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、国家自然科学基金及日本学术振兴会项目支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2026.156930