与传统能源相比,核反应(尤其是聚变反应)过程中单位质量所释放出的能量巨大。核聚变反应所需要的原料氘在海水中含量非常丰富,且聚变产物放射性低、污染较少,所以核聚变能是人类未来的终极清洁能源。金属钨具有高熔点、低氢滞留率、高热导率和高物理溅射阈值等优点,是未来聚变反应堆中最有可能全面使用的面对等离子体材料(PFM)。在严酷的工况条件下,PFM将受到聚变高能中子、氢氦等离子体和高热负荷等三重辐照的影响,其性能迅速劣化从而缩短其服役寿命。本文通过第一性原理方法首先重点讨论了纯金属钨(W)中辐照损伤所产生的Frenkel对缺陷的退火复合机理;然后研究了W中的多种合金化原子对其间隙和空位缺陷演化行为的影响,并试图筛选出较为适合的增强其抗辐照能力的W基合金。Frenkel对是由间隙原子与空位共同组成的缺陷对,是辐照损伤所导致的最基本的缺陷结构类型之一。本文首先考查了Frenkel对的复合机制。根据退火实验以及分子动力学计算结果表明,低温条件下Frenkel对的复合主要归因于自间隙原子(SIA)的迁移及其与近邻空位(V)的复合,而高温下空位的迁移也是促进缺陷对复合的因素。根据自间隙原子扩散机制和空位扩散机制对Frenkel对复合的贡献,得出了这两种机制下Frenkel对自复合以及反应复合区域等相关参数。在此基础上,详细考查了SIA的性质,包括其稳定性、迁移和旋转等特性,及其对晶格畸变造成的影响。合金化是改变W基PFM性能的有效途径之一。在聚变高能中子辐照下W中也会产生Re、Os、Ta和Hf等嬗变元素,形成的析出相会严重影响W基材料的服役性能。本文选取元素周期表中部分4d和5d元素(Zr、Mo、Nb、Hf、Ta和Re等)作为合金化原子(AE),重点考查了合金化后的W基合金特性以及AE对缺陷结构演化的影响。首先系统计算了AE在W中的溶解行为,通过其溶解能判定合金结构的稳定性,并在此基础上研究了AE与空位(V-AE复合结构)的相互作用,包括AE对空位形成能和扩散势垒的影响,从而得出AE-V复合体的微观结构特征。由于辐照也将在W基合金中产生空位团簇,因此进一步对AE与空位团簇(Vn-AE复合结构)的相互作用进行了计算,包括AE对空位团簇的形核、成长和解离过程影响,在此基础上筛选出有利于空位扩散且阻碍空位团簇成核的合金元素。最后研究了AE与SIA(SIA-AE复合结构)的相互作用,通过考查其对SIA结构的稳定性、迁移和旋转特性的影响,得到SIA在W基合金中的结构演化规律,以及缺陷结构对合金元素行为的影响。综合合金元素与点缺陷的相互作用,本论文得出Ta元素为有利于缺陷复合的合金化元素。本文通过第一性原理计算发现,对空位来说,一方面Ta元素有利于降低W中空位的扩散势垒,使其扩散迅速,且扩散势垒随Ta浓度的增大而减小;另一方面由于Ta与空位之间为排斥作用,将阻碍空位团簇的形核,故Ta元素的添加可使W中的空位更加分散分布,对Frenkel对的复合有利。对于间隙结构,Ta元素可以阻碍SIA的扩散,平衡空位与间隙结构的扩散速率。因此从辐照点缺陷的演化来讲,Ta将是一种相对较好的掺杂元素。已有实验研究发现,在辐照条件下Re和Os在W中会发生诱导析出现象,而Ta则不会。根据已知的模拟计算结果证实空位和间隙具有诱导Re和Os发生析出的作用,然而Ta的存在则可以有效降低Re和Os的析出行为。本文还考察了Ta元素在W中的本征行为,以及Ta原子与空位、间隙的相互作用,揭示了空位和间隙不能诱导Ta析出的机理。通过模拟计算不同Ta含量的W-Ta合金的力学性质,还发现Ta使其W的强度减弱,但延展性有所增强。