金属中氦对的迁移

理解聚变反应堆中面向等离子体或结构材料内的氦积累，始于揭示单个及成对氦间隙原子的迁移细节。我们采用第一性原理密度泛函理论，研究了体心立方（Fe、Mo 和 W）与面心立方（Cu、Pd 和 Pt）金属中单个间隙氦原子与间隙氦对的迁移。通过确定每种金属中间隙氦对的最稳定构型，并将其运动分解为转动、平动以及转动-平动例程，我们能够确定其迁移势垒与轨迹。我们的第一性原理计算表明，迁移轨迹与势垒主要由相对稳定的氦对构型决定，而这些构型主要取决于单个氦在不同间隙中的稳定性。与文献中报道的原子模拟研究相反，体心立方 Fe、Mo 和 W 中的迁移势垒分别为 0.07、0.07 和 0.08 eV，总是略高于单个间隙氦（三者均为 0.06 eV）。由于单个氦原子在不同间隙位点的稳定性接近，面心立方金属中氦对的构型复杂得多。在 Cu 和 Pd 中，氦对的迁移通过每次将一个 He 从一个四面体位点移动到相邻八面体位点来进行；而在 Pt 中，由于桥位间隙位点呈现极低势垒，两个 He 同时移动。Cu、Pd 和 Pt 中氦对的迁移势垒分别为 0.05、0.15 和 0.04 eV，略低于（Cu 中）、或类似于（Pd 和 Pt 中）单个 He 的势垒，后者分别为 0.08、0.15 和 0.03 eV。氦对的关联运动由金属中类化学键的强 He-He 相互作用所保证，并可用莫尔斯势很好地描述。