在未来的商业核聚变反应堆当中,金属钨因其优异的物理性能被认为是最具潜力的面向等离子体材料候选者,因此也将面临反应堆中严苛的服役环境。在高通量的氢同位素等离子体以及高能中子辐照下,聚变燃料会在钨中滞留并引发表面起泡、鼓起、脱落等现象,从而影响聚变堆运行的安全性和稳定性。本论文利用自主研发的多尺度模拟方法,围绕钨中氢滞留以及起泡关键问题展开研究。研究结果阐明了钨中氢自俘获及氢在纳米孔洞中的俘获机理,并建立起了相应的物理模型,为相关实验研究给出了定量的解释和预测。本论文中自主研发了一套对象动力学蒙特卡洛模拟软件,通过应用多种加速算法,实现了在微米和小时级时空尺度下对材料中缺陷演化的模拟,并利用该软件对缺陷的俘获强度进行了计算。通过对比模拟结果和解析理论结果,揭示了模拟-解析之间差异的来源,并给出了相应的修正方法。这些修正能够让各类平均场方法更加准确的描述辐照环境下的缺陷演化,从而提供更为精确的模拟数据来解释实验现象,有助于对氢在缺陷处俘获、聚集,成泡、长大等现象的定量理解。通过第一性原理计算,我们首次发现钨中的氢能够通过自俘获形成沿着{001}面生长的二维片层状氢团簇。氢的自俘获能力来自于氢·氢之间长程弹性吸引力和短程电子排斥力的竞争结果,且随着团簇尺寸的增大而增强。当钨中的氢浓度超过一定的临界值时,氢团簇的形核在热力学和动力学上都是可行的。基于这一临界浓度,我们给出了相应的离子注入临界条件判据。该判据与实验观察到的氢泡形成判据高度一致。基于这些计算结果,我们提出了一种在无缺陷钨晶格中氢通过自俘获引发起泡的机制,为钨中氢离子注入导致的表面起泡现象提供了定量的理论解释。以钨为代表研究了体心立方金属中纳米孔洞对氢的俘获行为。清晰的展示了氢原子在纳米孔洞的Wigner Seitz正方形表面上的顺序吸附行为,及对应的五个俘获能能级。提出并验证了一个幂律函数来准确描述吸附氢原子间的相互作用。进一步结合高压氢的状态方程,我们建立了一个通用的物理模型来预测纳米孔洞中氢的能量、结构、以及氢压。以该模型为基础的多尺度模拟取得了与近年来的热脱附实验高度吻合的结果。本工作阐明了主导纳米孔洞对氢俘获行为的本质物理规律,给出了氢在纳米孔洞中俘获的多尺度预测模型,为理解氢致金属材料损伤提供了寻求已久的关键性预测信息。