聚变能由于其清洁、安全、高效的特点,成为人类寄予厚望的新能源,被认为是能够解决我们能源问题的终极手段。聚变反应堆的实现方法之一——磁约束核聚变的科学可行性已经得到了验证,只是其工程可行性却面临着巨大的困难,其中一个难点是反应堆关键材料的选取问题。W材料由于具有高熔点、低溅射率、高热导率等优点,被认为是未来核聚变反应堆装置中面壁材料的首选材料；而且在当今的ITER及EAST等聚变反应堆装置中,石墨由于其高温热稳定性,被同W材料一起应用做面壁材料。处于严酷工作环境中的面壁材料在高温、高通量、高热负荷粒子流的长时间轰击后,会不可避免地产生化学、物理溅射,及再沉积,进而在面壁材料的表面形成混合层。这种混合层的形成会对H同位素在面壁材料中的滞留产生一定的影响,从而严重影响材料的热、力学性质；而且H同位素的滞留也会使得反应堆燃料的浓度及反应效率大打折扣,从而严重影响聚变反应堆的运行。为此,本论文工作首先研究了H在W-C混合层中的滞留行为；进而,在有H滞留的情况下,从电子结构出发,研究了H对W材料脆性的影响。本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法进行研究：通过分析H在W材料表面的W-C混合层中与杂质及基体原子的成键情况,探究了H在混合层中的滞留行为；通过分析H、He在W材料中裂纹尖端的溶解情况,研究了H、He对裂纹扩展的影响。论文得出结论如下：(1)通过计算C原子在W晶体中的溶解能,发现C原子在无缺陷W晶体中的溶解度很低,而更容易在W晶体表面析出,形成类石墨结构；空位可以捕获C原子,从而可以增加C原子在W晶体中的溶解,此时C原子与W原子之间的成键方式与WC相类似。因此,考虑到ITER实际运行温度,面壁材料W表面附近(含W-C、C-W共沉积层)很可能包含多种相成分。而H在W-C混合层中的滞留行为与这些相密切相关：不管W晶体中是否存在空位,H原子都优先与W原子之间成键,而溶解在W晶体中的C并未作为捕获中心而促进H的滞留；解吸附实验中发现的碳氢化合物很可能归因于在C的无定形相或者W-C混合层表面的类石墨相中,H通过与C原子的spx(x=1,2,3)杂化电子形成共价键而产生。(2)通过对H、He在W晶体中裂纹尖端的溶解情况进行分析,可以得知He原子容易迁移到裂纹中心处,而H原子则容易在裂纹尖端溶解。所以从化学键角度来讲,孤立的He原子不会对W晶体中裂纹的扩展造成任何影响；而H原子由于导致体系的应变能增大、W晶体形成新表面所需要的表面能降低、周边W原子之间的相互作用减弱,而促使裂纹易于扩展。研究发现H的浓度越高,裂纹越容易扩展。本论文的创新点是通过第一性原理方法对H在W晶体中的行为进行了模拟研究：解释了H在W-C混合层中的滞留现象,而前人的研究都没有从电子、原子角度解释“为什么在不同的实验条件中,会出现不同的H滞留量以及解吸附出不同量的碳氢化合物”；此外,本论文在理论层面上分析了“H、He对W晶体中裂纹扩展的影响”,而前人的研究都是以实验方式进行的。