EAST面對等離子體材料的分子動力學(xué)模擬課件

報告人：楊鐘時導(dǎo)師：羅廣南研究員鎢面對等離子體材料的分子動力學(xué)模擬中期報告（2009-12-09）報告人：楊鐘時鎢面對等離子體材料的中期報告（2009-12-2023/9/211主要內(nèi)容研究背景研究方法研究目標(biāo)論文進展情況存在問題與改進措施2023/8/61主要內(nèi)容研究背景2023/9/212主要內(nèi)容研究背景研究方法研究目標(biāo)論文進展情況存在問題與改進措施2023/8/62主要內(nèi)容研究背景2023/9/213人類能源危機與聚變能研究進展能源需求日益增大傳統(tǒng)能源：化石燃料，存量有限，并帶來嚴(yán)峻環(huán)境問題替代能源：太陽能、生物能、風(fēng)能等產(chǎn)量與效率很低

裂變能：鈾儲量有限，核廢料造成的環(huán)境和安全問題

聚變能：受控核聚變將為人類提供終極理想清潔能源ITERcutaway

BirdviewofEAST磁約束等離子體與托卡馬克熱核聚變裝置2023/8/63人類能源危機與聚變能研究進展ITERcu2023/9/214聚變能領(lǐng)域W材料的應(yīng)用鎢（W）材料優(yōu)良特性高熔點低物理濺射率和高濺射閾能不與氫發(fā)生化學(xué)刻蝕以及低的H滯留方便用噴涂方法進行大規(guī)模生產(chǎn)鎢（W）材料在聚變裝置中的應(yīng)用ITER：第一階段W用作偏濾器非靶板的PFM，最后實現(xiàn)全鎢第一壁。ITER后的堆型設(shè)計：全W的PFM成為共識EAST：在3-5年實現(xiàn)主動冷卻VPS-W/Cu-偏濾器德國ASDEX-U：已實現(xiàn)全W第一壁英國JET托卡馬克：ITER-likeWall，W塊材作為偏濾器的PFM日本九州大學(xué)QUEST球馬克：將PFM升級為W涂層材料2023/8/64聚變能領(lǐng)域W材料的應(yīng)用鎢（W）材料優(yōu)良特性2023/9/215主要內(nèi)容研究背景研究方法研究目標(biāo)論文進展情況存在問題與改進2023/8/65主要內(nèi)容研究背景2023/9/216分子動力學(xué)在聚變材料中的應(yīng)用材料計算模擬：與理論和實驗相并列的一個新的分支分子動力學(xué)(MolecularDynamics-MD)：原理：根據(jù)量子力學(xué)等基本物理理論，建立物理模型，構(gòu)造勢函數(shù)，在微觀的分子和原子層面上對材料進行研究，預(yù)測材料服役行為方法：建立一組粒子的運動方程，通過數(shù)值計算得到每個粒子在各時刻的坐標(biāo)與動量，求得相空間的運動軌跡，并用統(tǒng)計方法得到系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，從而得到系統(tǒng)的宏觀特性核聚變研究的極端條件與特殊性：超高溫、強輻照、強磁場等極端條件下，等離子體與PFM的相互作用涉及到微觀尺度和很短的時間尺度分子動力學(xué)的應(yīng)用：材料表面濺射、高能粒子的射程分布、材料的內(nèi)部輻照損傷，材料的熔化以及相變等2023/8/66分子動力學(xué)在聚變材料中的應(yīng)用2023/9/217BOP勢函數(shù)(BondOrderPotentials)BOP勢：表述具有不同化學(xué)鍵和不同結(jié)構(gòu)材料中的原子間相互作用進行Brenner勢：用于不同的C或者CH系統(tǒng)，可描述純C結(jié)構(gòu)材料和CH分子以及鍵合和鍵斷等動力學(xué)效應(yīng)Z:最近鄰數(shù)q:每個原子的價電子數(shù)b:健級(bondorder)Vrep(r):緊鄰原子間排斥力Vatt(r):引力函數(shù)

修訂Brenner勢：Juslin等對的CH勢進行改造，并重新計算擬合了W-W，W-C和W-H之間的參數(shù)設(shè)置，有效模擬H和CH與金屬W之間的相互作用

用于包含多元材料的不同性質(zhì)，如表面，缺陷，融化性質(zhì)等2023/8/67BOP勢函數(shù)(BondOrderPo2023/9/218主要內(nèi)容研究背景研究方法研究目標(biāo)論文進展情況存在問題與改進措施2023/8/68主要內(nèi)容研究背景論文的計劃目標(biāo)主要研究內(nèi)容：采用MD方法對等離子體與W-PFM相互作用過程進行計算模擬研究低能H粒子在W表面的反射和吸附，H在W體內(nèi)的俘獲等C粒子在W表面的反射和吸附，體內(nèi)的射程分布、溝道效應(yīng)以及擴散行為等達到的目標(biāo)：運用MD方法，研究H、C和W材料相互作用的物理機制W在等離子體輻照下材料本身結(jié)構(gòu)與性能的變化規(guī)律及其機制了解W材料在EAST和ITER中應(yīng)用的物理基礎(chǔ)，為聚變PFM的設(shè)計和應(yīng)用提供參考依據(jù)2023/9/219論文的計劃目標(biāo)主要研究內(nèi)容：2023/8/692023/9/2110主要內(nèi)容研究背景研究方法研究目標(biāo)論文進展情況存在問題與改進措施2023/8/610主要內(nèi)容研究背景非晶W的MD模擬2023/9/2111晶態(tài)和非晶態(tài)W中的W-W對分布函數(shù)g(r)非晶胞模擬過程:初始結(jié)構(gòu)：bcc晶態(tài)W元胞，密度為19.25g/cm3,三個方向施加周期性邊界條件系統(tǒng)在300K室溫下平衡10個ps后，升溫至4000K在4000K融化狀態(tài)下保持200ps將元胞冷卻至300K，冷卻速率為40K.ps-1在300K下平衡50ps第一緊鄰位置和數(shù)值相似揭示非晶W的的短程有序性。第二緊鄰位置偏移，更高級的近鄰峰值拓展或消失揭示長程無序。非晶W的MD模擬2023/8/611晶態(tài)和非晶態(tài)W中的W-模擬元胞初始化2023/9/2112

表面模擬：X和Y方向施加周期性邊界條件。最底三層原子保持固定模擬為襯底。溫控：襯底以上已經(jīng)四個側(cè)面的三個原子層內(nèi)施加溫控條件。初始位置：入射原子在元胞外勢函數(shù)截斷距離之外，非溫度控制區(qū)域以上作為初始位置。隨機改變原子的入射位置，進行統(tǒng)計。初始動能：改變原子的入射動能，研究能量依賴關(guān)系。入射粒子的能量分為兩種，一種是固定動能，另外一種就是載能粒子的能量服從麥克斯韋分。初始角度：改變原子入射角度，研究角度依賴關(guān)系。元胞溫度：改變元胞溫度，研究襯底溫度依賴關(guān)系。選擇模擬的步長。

兩種輻照模擬：非累計型模擬和累計型模擬。模擬元胞初始化2023/8/612表面損傷2023/9/211350個入射C原子在表面的堆積情況與入射能量的依賴關(guān)系（a)1eV(b)5eV(c)10eV(d)50eV(e)100eV(f)200eV*redballsrepresenttheCatoms

*blackonesrepresentWatoms.表面損傷：損傷程度隨著入射能量的升高而增加。其表征參數(shù)為對函數(shù)分布函數(shù)。表面損傷的機理：動能釋放與晶格碰撞。表面損傷2023/8/61350個入射C原子在表面的堆積情況表面反射2023/9/2114~10eV時，能量和粒子反射在兩種表面上均達到最大值。大于~10eV,反射系數(shù)單調(diào)遞減，源于較高的能量，粒子更容易進入元胞內(nèi)部。低于~10eV時，反射系數(shù)單調(diào)遞增，源于較低的能量，粒子更容易吸附到表面。sbe（surfacebindingenergy）：8.68ev（W）；esb（projectilebindingenergy）：4.00eV（C）；1.00eV（H）粒子和(b)能量反射系數(shù)與入射能量依賴關(guān)系(Eckstein*用TRIM.SP計算的結(jié)果也一并列出)*W.Eckstein,CalculatedSputtering,ReflectionandRangeValues,IPP9/132,2002C→WH→W表面反射2023/8/614~10eV時，能量和粒子反射在兩射程分布2023/9/2115

低于~10eV,未被散射的原子吸附在表面的幾個原子層不能穿透的體胞內(nèi)部在~10eV,入射原子被散射回真空的幾率最大

高于~10eV,荷能粒子就有更大的幾率進入的W的體內(nèi)，同時平均射程分布以及射程擺動都會相應(yīng)增加在50eV附近，粒子在晶態(tài)內(nèi)

平均射程超越了非晶表面，其原因在于溝道效應(yīng)的產(chǎn)生相對低能情況下：平均射程分布接近于SRIM2008的結(jié)果相對高能情況下：平均射程大于SRIM的結(jié)果，歸于溝道效應(yīng)C和H原子在W體內(nèi)平均深度(meanrange)與入射能量的依賴關(guān)系。(Eckstein用TTRIM.SP計算的結(jié)果也一并列出)C原子在W內(nèi)的射程分布和能量的依賴關(guān)系:(a)1eV,(b)5eV,(c)10eV,(d)50eV,(e)100eV.C→WH→W射程分布2023/8/615低于~10eV,未被散射的溝道效應(yīng)2023/9/2116溝道粒子的動能和穿透深度隨時間演化的示意圖：C原子入射能量為150eV，其軌跡如左圖所示

當(dāng)入射能量為50-200eV時,在<001>晶向發(fā)生溝道效應(yīng)。50fs之前，入射原子和晶格原子沒有近距的碰撞，動能損失率dE/dx的值較低。50fs以后，入射粒子穿透了20個以上原子層，和晶格原子發(fā)生了劇烈的核碰撞，動能損失率增大且振幅增大，和晶格原子發(fā)連續(xù)碰撞后最終動能小于了其在晶格體內(nèi)的遷移能而停留在體內(nèi)。溝道軌跡示意圖：C原子入射能量為150eV溝道效應(yīng)2023/8/616溝道粒子的動能和穿透深度隨時間演點缺陷計算2023/9/2117BOP(eV)Exp.-Ab.(eV)Ef-v1.692.8--5.38mono-vacancyEm-v1.31.7--2.02→1.5vacancy-migrationEf-Oh2.57---octahedralinterstitialEf-Th2.91---tetrahedralinterstitialEf-sub3.39---substitutionalEb12.352.01vacancy--1stOhEb20.041---vacancy--2ndOhEv=E((N-1)W)-(N-1)Eref(W)

（空位形成能）Eint=E(NW+C)-NEref(W)-Eref(C)（間隙原子形成能）Esub=E((N-1)W+C)-(N-1)Eref(W)-Eref(C)（替位原子形成能）Eb(V-C)=Ef(V)+Ef(C)–Ef(V-C)（結(jié)合能）

荷能粒子入射到材料表面將會導(dǎo)致局域晶格破壞。

空位以及點缺陷的形成是材料內(nèi)部缺陷形成的基礎(chǔ)。點缺陷計算2023/8/617BOP(eV)Exp.-間隙能計算2023/9/2118體心立方W晶體中間隙原子的兩種位置(A)八面體間隙(B)四面體間隙C在W中八面體間隙的形成能:2.57eVC在W中四面體間隙的形成能:2.91eV間隙C原子從八面體間隙到最近鄰的八面體間隙所要越過的勢壘是0.6eV對于間隙C原子最穩(wěn)定的構(gòu)型是占據(jù)八面體間隙位置而不是四面體間隙位置，與理論分析結(jié)果*2一致1C.H.Bennett,inDiffusioninSolids,RecentDevelopments,editedbyA.S.NowickandJ.J.Burton(Academic,NewYork,1975),p.73.

2GmelinHandbookofInorganicChemistry,8ed.,Syst.No.54,Tungsten,Suppl.Vol.A2,Spring-Verlag,Berlin,Heidelberg,NewYork,Tokyo,1987.勢壘和點缺陷路徑的關(guān)系示意圖：間隙C原子沿八面體間隙到最近鄰八面體間隙位置。勢能值通過quenchedmoleculardynamics*1

方法獲得。間隙能計算2023/8/618體心立方W晶體中間隙原子的兩種間隙原子對W結(jié)構(gòu)的影響2023/9/2119間隙C原子在八面體間隙位置所引起的晶格變形虛線球表示完整晶格的平衡位置實心球表示引入C原子以后的平衡位置

C和最近鄰W原子之間的距離比完整晶格距離增加了0.236（⊿d1/d1），其增加方向為<100>方向。

C和最近鄰W原子之間的距離比完整晶格距離減少了0.015（⊿d2/d2），其增加方向為<110>方向。

結(jié)構(gòu)形變源于能量弛豫。間隙原子對W結(jié)構(gòu)的影響2023/8/619間隙C原子在八面體博士期間撰寫論文ZhongshiYang,Q.Xu,G.-H.Lu,G.-N.Luo,“MolecularDynamicsSimulationofLow-energyAtomicHydrogenonTungstenSurface”,ISFNT-9,October11-16,2009,Dalian,China,08-002,submittedtoFusionEngineeringandDesign.ZhongshiYang,W.Wan,K.Okuno,Y.Oya,G.-N.Luo,“SurfaceAnalysisofVPS-WICRF-BoronizedinHT-7”,ICFRM-14,September6-11,2009,Sapporo,Japan,00105,submittedtoJournalofNuclearMaterials.J.Wu,ZhongshiYang,Q.Li,C.-Y.Xie,G.-N.Luo,M.Matsuyama,“BIXSMeasurementsofTritiumUptakeinCandWMaterialsforEAST”,ICFRM-14,September6-11,2009,Sapporo,Japan,00185,submittedtoJournalofNuclearMaterials.ZhongshiYang,Q.Xu,JunqiLiao,G.-H.Lu,G.-N.Luo,“StudyonC-Winteractionsbymoleculardynamicssimulations”,NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchSectionB,267,3144-3147(2009).ZhongshiYang,Y.M.Yang,G.-H.Lu,G.-N.Luo,“Moleculardynamicssimulationsofatomiccarbonontungstensurface”,JournalofNuclearMaterials,390–391,136-139(2009).Q.Li,H.Chen,P.QI,Z.-S.Yang,

G.-N.Luo,H.–Y.Guo,“ModelingofheatdepositionontheW/CumovablelimiterinHT-7”,FusionEngineeringandDesign,doi:10.1016/j.fusengdes.2009.08.006G.-N.Luo,M.Liu,Z.Q.Kuang,X.D.Zhang,Z.S.Yang,C.G.Deng,Z.C.Zhang,J.G.Li,K.S.Zhou,“Directly-cooledVPS-W/CulimiteranditspreliminaryresultsinHT-7”,JournalofNuclearMaterials,363–365,1241-1245(2007).G.-N.Luo,X.D.Zhang,D.M.Yao,X.Z.Gong,J.L.Chen,Z.S.Yang,Q.Li,B.ShiandJ.G.Li,“Overviewofplasma-facingmaterialsandcomponentsforEAST”,PhysicaScripta,T128,1-5(2007).ZhongshiYang,HajimeShirai,TomohiroKobayashi,YasuhiroHasegawa,“SynthesisofSinanoconesusingrfmicroplasmaatatmosphericpressure”,ThinSolidFilms,

515,4153-4158(2007).博士期間撰寫論文ZhongshiYang,Q.Xu,參加國際學(xué)術(shù)會議The9thInternationalSymposiumonFusionNuclearTechnology(ISFNT-9),October11-16,2009,Dalian,China,08-002,

“MolecularDynamicsSimulationofLow-energyAtomicHydrogenonTungstenSurface”.14thInternationalConferenceonFusionReactorMaterials(ICFRM-14),September6-11,2009,Sapporo,Japan,00105,

“SurfaceAnalysisofVPS-WICRF-BoronizedinHT-7”.JSPS-CASCoreUniversityProgramWorkshopsSymposiumonPWI/PFCandFusionTechnologies,October27-29，2008,Huangshan,China,O-17,“AtomisticCalculationofinteractionbetweenlow-energycarbonandtungsten”.The9thconferenceinaseriesofinternationalconferencesonComputerSimulationofRadiationEffectsinSolids(COSIRES2008),October12-17,2008,Beijing,China,P-31,“StudyonC-Winteractionsbymoleculardynamicssimulation”.18thInternationalConferenceonPlasmaSurfaceInteractions(PSI18),May26-30,2008,Toledo,Spain,P2-16,“Moleculardynamicssimulationsofatomiccarbonontungstensurface”.The9thChina-JapanSymposiumonMaterialsforAdv