钨(W)材料以其高熔点,高导热系数,优异的高温力学性能和低氘/氚滞留等特点被认为是面向等离子体材料(PFMs)的最主要候选材料。在聚变服役过程中,氦(He)作为核聚变产物在钨材料中的溶解度低,易发生扩散和聚集,将导致钨材料表面起皱、起泡、形成纳米绒毛等辐照损伤,随即发生开裂和剥落,导致材料服役性能降低甚至失效,严重威胁核聚变堆的安全运行。因此,研究氦在钨中行为,对钨基材料在聚变堆中的应用具有重要意义。为阐明钨基材料中固有缺陷、非金属原子和金属原子以及它们之间的协同作用对氦在钨中的溶解、扩散和捕获行为的影响,本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,以空位、氮和锆原子为例,研究了其对氦溶解、扩散、捕获行为的影响。另外,研究了锆元素对钨力学性能的影响。主要研究成果如下:1、空位作为金属钨中固有缺陷,以及常见的中子辐照缺陷,在较大缺陷的成核、演化和动力学行为中起着至关重要的作用。为了研究空位(Vac)缺陷环境下氦在钨中的溶解行为,通过计算分析氦在钨中不同位置的溶解能,发现氦原子的最稳定位置是空位,且氦原子在四面体间隙位(TIS)比在八面体间隙位(OIS)更稳定。同时结合过渡态理论,运用CINEB方法,预测出单原子氦在具有单空位钨中的扩散行为,阐释了氦在单空位钨中“TIS→OIS→Vac”的扩散机理,阐明氦容易向空位扩散。2、氮(N)是钨中常见杂质和边缘等离子体冷却剂,而锆(Zr)则是常用来改善钨的力学性能,两者都会与钨中的氦发生相互作用。采用原子尺度模拟方法,研究了钨中氮或锆原子、空位与氦的相互作用,阐述了对氦行为影响的共性与差异。研究发现,在钨中,氮或锆原子与氦之间存在吸引作用,更有利于氦在钨中稳定存在。当钨中存在空位时,氮与氦之间转变排斥作用,而锆与氦之间依然存在吸引作用。氮-空位复合体作为氦原子的捕获中心,最多可以捕获5个氦原子;锆-空位复合体作为氦原子的捕获中心,至少可以捕获9个氦原子。通过分析氦原子向氮-空位复合体或锆原子的扩散能力,表明氮或锆原子的存在有利于氦的聚集。3、锆与氮有较强亲和力,在高温下能吸收氮元素,因此模拟了钨中氮-锆-空位协同作用对氦原子演化行为的影响。通过分析钨中氦的溶解能,发现氦在氮和锆共存时的稳定性强于氮或锆单独存在时的稳定性。当钨中存在空位缺陷时,氮原子与氦原子之间的排斥作用强于锆原子与氦原子之间的吸引作用,导致氦原子不仅不再占据空位中心,而且增加了氦原子在空位中的溶解能。另外,氮-锆-空位复合体作为捕获中心,最多可以捕获5个氦原子,少于单空位对氦原子的捕获个数,表明氮-锆的存在,减弱了空位对氦原子的捕获能力。4、研究锆对钨中氦行为的影响很重要,对钨材料力学性能的影响也不容忽视。通过计算W1-xZrx(钨中含有不同浓度的锆)的形成能,发现W1-xZrx在热力学上是稳定的。基于弹性常数的计算,发现随着锆浓度的增加,W-Zr的弹性常数和弹性模量逐渐降低;同时,通过分析B(体积模量)/G(剪切模量)值,泊松比υ和柯西压力C’的值,验证了掺杂Zr有助于改善W材料的延展性。