托卡马克是目前最有希望实现聚变能的发电装置之一,聚变反应的燃料是氢同位素氘和氚。氚具有放射性且价格昂贵,为了保证核聚变的安全性和经济性,需要控制托卡马克器壁材料中氚的滞留量,国际热核聚变实验堆（ITER）要求氚的滞留量控制在700克以下。因此,如何控制托卡马克器壁中氚的滞留是需要解决的一个重要问题。钨因具有熔点高、导热系数高、溅射产率低、氚滞留率低等优点而成为最有前景的托卡马克的面向等离子体器壁材料（PFMs）。聚变堆中钨将承受强流氢同位素粒子和高能中子辐照,从而产生大量的辐照损伤,加剧氚滞留问题。然而,钨材料的辐照损伤行为存在很大的不确定性,预测和控制中子辐照钨材料中氚的滞留是主要任务之一。本论文的主要内容是构建物理模型,采用数值模拟方法研究自损伤钨材料（即钨材料通过高能钨离子辐照损伤）中氢同位素的滞留行为以及主要影响因素。论文第一章简要介绍了本工作的研究背景,国内外研究进展,以及本论文主要研究内容。第二章介绍了氢同位素滞留程序（HIIPC）的物理模型和数值方案。本文研究内容分为三部分,分别构成了本论文第三、四、五章。第三章开发了 HIIPC程序的氢同位素置换模块,研究了自损伤钨材料中氢同位素的滞留以及使用氢同位素置换方法降低燃料滞留。首先,分析了辐照诱导缺陷对氘滞留的作用和贡献,讨论了氘粒子剂量和材料温度对氘滞留的影响。结果显示,钨离子辐照诱导缺陷取决于辐照钨离子的注入能量和剂量,高能和高剂量均能提高钨材料的损伤程度,从而增大氢同位素的滞留量,模拟验证了辐照诱导的缺陷主导燃料滞留的结论。自损伤钨中氘滞留依赖于氘辐照剂量、材料温度和缺陷脱陷能,随着氘剂量的增大,氘滞留先增大,再到饱和;高温和小脱陷能有助于减小氘滞留,而低温和高脱陷能不利于减小氘滞留。模拟开展了注入氢置换滞留氘的同位素置换研究,发现注入氢能降低自损伤钨材料中氘的滞留量。降低氘滞留量的效率强烈地依赖缺陷的脱陷能,高脱陷能缺陷中燃料能被冻结,将制约同位素置换。模拟结果为氢同位素置换实验提供了较好的解释。第四章开发了含有低能粒子表面滞留模块的HIIPC程序,研究了低能粒子辐照过程中燃料在自损伤钨材料中的滞留,以及表面过程对燃料滞留和释放的影响。结果表明,材料表面吸附和吸收过程对氘粒子滞留非常重要,表面吸附过程直接导致粒子的表面滞留,表面滞留反过来会对入射粒子的表面粘滞流产生阻碍作用,从而影响粒子的表面吸附和吸收过程。由于表面滞留的阻碍作用,材料表面形成直接向表面外释放的粒子流,定义为被阻碍流,其直接关系到材料表面粒子的再循环率。通过计算和分析表面粒子的再循环率发现,在表面滞留饱和之前,材料温度和粒子流对燃料粒子的再循环率有很大影响。表面吸收过程为材料内部滞留提供源项,增大材料温度,内部氘滞留量先增大后减小,通过采用氘粒子的直接注入,解释了在表面过程中燃料滞留量随材料温度演化的原因。此外,还研究了表面过程的不同表面势能（化学吸附能和渗透能）对表面滞留、燃料粒子释放和内部滞留的影响,发现化学吸附能增大,表面滞留和被阻碍流增大,材料内部氘滞留量减小。材料内部滞留直接依赖于表面渗透能,低表面渗透能情况下,氘的总滞留量和实验符合较好;高渗透能情况下,强的表面效应抑制氘从表面到内部的吸收,减小自损伤钨材料内部氢同位素的滞留。第五章在已开发的含有表面滞留模块的HIIPC程序基础上,新开发了空位类型缺陷演化程序（VTDE）,开展了退火对空位类型缺陷演化和氢同位素滞留影响的研究。结果显示,退火使得辐照诱导的单空位缺陷密度显著减小,导致不同团簇尺寸的空位类型缺陷形成。退火温度在缺陷退火中起着关键作用,影响缺陷的迁移、反应、分解以及湮灭过程,从而进一步影响空位缺陷类型的密度以及分布。在退火期间,升高退火温度,空位类型缺陷总密度减小,其原因归根于单空位和双空位的团聚损失以及被湮灭源（如晶界和位错）的吸收。分析晶界的湮灭过程发现,小晶粒尺寸钨中的晶界更有利于减小空位类型缺陷总密度。发现不同的团簇尺寸对空位类型缺陷密度也有很大影响,随着退火温度的增大,大团簇尺寸空位缺陷能稳定存在,其为燃料的滞留提供了有效的空位类型缺陷捕获点。通过模拟退火对燃料滞留的影响发现,在未考虑退火时,单空位缺陷主导氘燃料滞留;在考虑退火后,大团簇尺寸的空位类型缺陷和空位类型位错环成为燃料滞留的主要捕获点,模拟很好的解释了实验结果。通过进一步分析辐照诱导的空位类型缺陷和位错类型缺陷对滞留的贡献并通过和实验对比发现,自损伤钨材料中辐照诱导的大尺寸空位类型缺陷对燃料滞留的贡献大约为30-31%,而位错类型缺陷对氢同位素滞留的贡献大约69-70%。第六章总结了本论文主要研究结论和创新点,并对后续工作进行了展望。