钨（W）作为聚变反应堆中面向等离子体材料的关键候选材料，具有高导热性、低溅射产量及低本征氢同位素保留率（HI）。然而，氚（T）的放射性使得最小化其滞留成为安全与资源管理的核心问题。本案例中，研究人员通过DFT模拟揭示了氚在钨及其氧化物（如WO2和WO3）中的热力学和动力学行为。氚在WO2中渗透性显著低于体相W和WO3，可作为钨反应堆组件上氚吸收的天然屏障。
研究成果
1. 氚在钨各相中的亲和力
研究人员通过MedeA Environment创建W、WO2和WO3中间隙位点氚（T）结合的各体系，用MedeA VASP计算各体系结合能、T与点缺陷（空位和自间隙）之间的相互作用，绘制能量分布图（图1）。
1）WO3对T的亲和力最高，低温下插入能为负值；而WO2中插入能最高；
2）T从WO3移动到WO2能量差为1.58 eV。从W移动到WO2需0.44 eV，表明WO2层可能成为氚迁移的屏障。
3）氚在钨中的插入能范围为0.97-1.93 eV，与实验值相吻合。
图1 W - WO2 - WO3中T的能量分布图
2. 氚在钨各相中的扩散
氚在钨的四面体位点嵌入，而在其氧化物中靠近O原子位置嵌入。研究人员用MedeA VASP中机器学习力场MLFF（Machine-learning Forcefield）结合TSS（Transition state Search）模块研究氚在各相中扩散情况。图2为T在WO3中扩散路径，WO3中出现各向异性扩散，且T沿氧原子通道跳跃。
图2 MLFF模拟获得的T在WO3中的扩散路径
研究人员借助MedeA TSS结合Phonon模块分析发现：T在WO2中扩散最慢，能垒为0.81 eV；T在W和WO3中扩散速率相当，但在700 K以上温度下，WO3中T的扩散速度较快。理论计算出的质子扩散系数与实验数据一致。
图3 T在W、m-WO2 、m-WO3 中扩散系数：理论值与实验值对比
3.氚在钨各相中的表面偏析
研究人员计算了了不同覆盖度下氚在W、WO2及WO3的体相和表面的结合能（见图4）。
1）在低表面覆盖率下，氚在所有表面偏析均有利。T在WO2表面具有最大的偏析倾向，偏析能为-2.57 eV。
2）偏析能对表面覆盖度θ有较强依赖性。在θ>0.5时，WO3表面偏析变为不利；高覆盖度下，氚易于氧形成T2O。
图4 不同覆盖度下T在W、WO2 及WO3 体相和表面中的能量图
总结与展望
本案例中，研究人员利用密度泛函理论系统研究了W-O体系中氚的热力学和扩散过程，发现WO2的屏障作用和缺陷陷阱的影响。这些发现为聚变反应堆材料设计提供了理论支撑。
参考文献：
DOI:10.1016/j.nme.2024.101611
使用MedeA模块：
MedeA Environment
MedeA VASP
MedeA TSS
MedeA Phonon
