碳化锆(ZrC)是一种高温耐火材料，具有熔点高、强度大，热中子俘获截面小、导电性好、抗腐蚀性/ 氧化性强，是关键的核反应堆结构材料。因此，研究 H、He 嬗变物质在 ZrC 结构材料内的形成过程、稳 定性以及扩散行为，对预测、调控结构材料在这种高温、高粒子流辐照环境下的微观结构演化过程和损伤 行为具有重大意义。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，首先研究了 ZrC的基本物性，结 果表明 ZrC 在常压下是满足动力学稳定性的，Zr-C 键具有混合的离子/共价特性，共价性表现为 C-2p 与 Zr-4d/4p 轨道在费米能级附近的杂化，离子性主要表现在 Zr-4d/4p 轨道有约 1.71 个电子转移到 C-2p 轨道 上。通过对比 ZrC中可能形成的各类点缺陷形成能发现，在辐照环境下碳相关的缺陷比锆相关的缺陷更易 形成。其次，研究了杂质 He在 ZrC中的扩散行为。发现，由于较高的缺陷形成能，He原子在 ZrC材料中 较难溶解。在热力学平衡条件下，He 倾向于占据四面体间隙位；当晶体中存在点缺陷时，He 原子更倾向 于占据锆空位。He原子主要以间隙辅助扩散机制为主。通过对比扩散系数，发现 He原子在 ZrC中的扩散要比在碳化硅中低 5个数量级，说明 ZrC抵抗 He原子辐照损伤的能力远强于碳化硅。最后，对比计算了 H原子在 ZrC中的缺陷形成能，发现单个 H原子更倾向于占据碳空位。当两个 H原子同时占据四面体间隙 位时，会在方向形成相距 1.30 的 H-H原子对。利用 CI-NEB方法，我们搜索了 H原子在 ZrC晶体中迁移 的最低能量路径，并得到过渡态和扩散系数随温度变化的关系曲线。H、D、T的同位素效应对扩散系数曲 线的影响主要来源于零点振动能和质量差异两方面。随着同位素原子质量的增加，对应的声子振动频率呈 下降趋势。
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