【摘要】 本文解析铍/钨合金在ITER项目中的关键作用，通过密度泛函理论研究Be2W与Be12W表面结合能差异，揭示合金稳定性对等离子体材料腐蚀机制的影响。

在国际热核聚变实验堆（ITER）项目中，铍（Be）与钨（W）作为关键材料，分别承担第一壁防护与偏滤器组件的核心功能。二者形成的Be2W和Be12W合金在高温等离子体环境下的表面稳定性，直接影响材料腐蚀、氘滞留及BeDx化合物生成等关键过程。本文结合密度泛函理论（DFT）与实验数据，深入解析这两种合金的表面结合能特性。

 

一、ITER材料挑战与合金研究价值

ITER装置中，第一壁材料需承受极端等离子体冲击（见图1）。研究表明：

Be/W合金在等离子体环境中的表面侵蚀示意图

图1面板a):大块(两个单元格)Be2W的侧视图(xz投影)及其表面终端(001)的四种非等效可能性表示为平板A到平板D。平板A和C以W结束，而B和D以Be结束。去掉α-δ标记的原子可以产生四个非等效空位。面板b):面板a的3D视图)

 

  • 铍在670K以上穿透钨表面形成Be2W界面层
  • 钨在1000K以上与铍发生放热反应生成Be12W相
  • 合金形成显著影响溅射产额与材料迁移率

 

二、表面终止模型构建方法

研究团队采用(001)/(0001)晶向平板模型：

1.构建8Å真空层的周期性超胞结构

2.设置四种Be2W(001)表面终止构型（A-D）

3.建立Be12W(001)双终止模型（A/B构型）

（见图2）

Be12W合金表面终止结构3D模型示意图

图2面板a):边视图(xz投影)的大块Be12W的单位晶格和它的两个非等效的可能性(001)表面终止表示板a，b四个非等效的空位可以通过去除原子标记的α-δ。面板b):面板a的3D视图)

 

三、结合能关键发现

通过DFT计算获得突破性数据：

合金类型

铍结合能(eV)

钨结合能(eV)

Be2W(001)

4.08-5.63

6.81-8.12

Be12W(001)

4.25-5.41

8.75-10.04

 

研究发现：

  • Be12W表面结合能较纯金属降低3-5%
  • Be2W表面呈现双向变化（部分终止构型结合能增强）
  • 空位缺陷显著影响δ位点结合强度（降幅达15%）

 

四、工程应用启示

1.偏滤器设计：Be2W界面层在670-1000K温区的稳定性差异

2.​腐蚀预测：结合能梯度决定材料迁移方向（W→Be扩散系数高2个量级）

3.​模拟验证：SDTrimSP等代码需整合温度依赖的晶格参数

 

五、研究局限性及展望

当前DFT模型未充分考量：

  • 动态等离子体通量对表面重构的影响
  • 氘滞留引发的晶格膨胀效应
  • 多相界面处的电子云重分布现象

未来研究将结合分子动力学模拟，建立温度-通量-结合能三维关系模型，为ITER材料寿命预测提供更精确的理论支持。

 

参考文献：1.Michael Gyoeroek, Alexander Kaiser, Ivan Sukuba, Jan Urban, Kersti Hermansson, Michael Probst, Surface binding energies of beryllium/tungsten alloys, Journal of Nuclear Materials, Volume 472, 2016,Pages 76-81, ISSN 0022-3115, https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2016.02.002.

 

科学指南针充分发挥互联网技术和业务优势，在国内率先打造出业界领先的线上化、数字化的科研服务基础设施，在行业内首创用户自主下单、服务全流程追踪、测试“云现场”等模式，进一步提高了大型科学仪器设施开放共享和使用效率，以实际行动助力科技创新。现已发展成为中国专业科研服务引领者，已获得检验检测机构资质认定证书（CMA）、实验动物使用许可证、“ISO三体系认证”等专业认证。

 

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。