EAST面對(duì)等離子體材料的分子動(dòng)力學(xué)模擬課件

報(bào)告人：楊鐘時(shí)導(dǎo)師：羅廣南研究員鎢面對(duì)等離子體材料的分子動(dòng)力學(xué)模擬中期報(bào)告（2009-12-09）報(bào)告人：楊鐘時(shí)鎢面對(duì)等離子體材料的中期報(bào)告（2009-12-2023/10/61主要內(nèi)容研究背景研究方法研究目標(biāo)論文進(jìn)展情況存在問(wèn)題與改進(jìn)措施2023/10/61主要內(nèi)容研究背景2023/10/62主要內(nèi)容研究背景研究方法研究目標(biāo)論文進(jìn)展情況存在問(wèn)題與改進(jìn)措施2023/10/62主要內(nèi)容研究背景2023/10/63人類(lèi)能源危機(jī)與聚變能研究進(jìn)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(lái)嚴(yán)峻環(huán)境問(wèn)題替代能源：太陽(yáng)能、生物能、風(fēng)能等產(chǎn)量與效率很低

裂變能：鈾儲(chǔ)量有限，核廢料造成的環(huán)境和安全問(wèn)題

聚變能：受控核聚變將為人類(lèi)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2023/10/63人類(lèi)能源危機(jī)與聚變能研究進(jìn)展ITERc2023/10/64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(diǎn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)全鎢第一壁。ITER后的堆型設(shè)計(jì)：全W的PFM成為共識(shí)EAST：在3-5年實(shí)現(xiàn)主動(dòng)冷卻VPS-W/Cu-偏濾器德國(guó)ASDEX-U：已實(shí)現(xiàn)全W第一壁英國(guó)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(jí)為W涂層材料2023/10/64聚變能領(lǐng)域W材料的應(yīng)用鎢（W）材料優(yōu)良特2023/10/65主要內(nèi)容研究背景研究方法研究目標(biāo)論文進(jìn)展情況存在問(wèn)題與改進(jìn)2023/10/65主要內(nèi)容研究背景2023/10/66分子動(dòng)力學(xué)在聚變材料中的應(yīng)用材料計(jì)算模擬：與理論和實(shí)驗(yàn)相并列的一個(gè)新的分支分子動(dòng)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(shì)函數(shù)，在微觀(guān)的分子和原子層面上對(duì)材料進(jìn)行研究，預(yù)測(cè)材料服役行為方法：建立一組粒子的運(yùn)動(dòng)方程，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到每個(gè)粒子在各時(shí)刻的坐標(biāo)與動(dòng)量，求得相空間的運(yùn)動(dòng)軌跡，并用統(tǒng)計(jì)方法得到系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，從而得到系統(tǒng)的宏觀(guān)特性核聚變研究的極端條件與特殊性：超高溫、強(qiáng)輻照、強(qiáng)磁場(chǎng)等極端條件下，等離子體與PFM的相互作用涉及到微觀(guān)尺度和很短的時(shí)間尺度分子動(dòng)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2023/10/66分子動(dòng)力學(xué)在聚變材料中的應(yīng)用2023/10/67BOP勢(shì)函數(shù)(BondOrderPotentials)BOP勢(shì)：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(jìn)行Brenner勢(shì)：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(dòng)力學(xué)效應(yīng)Z:最近鄰數(shù)q:每個(gè)原子的價(jià)電子數(shù)b:健級(jí)(bondorder)Vrep(r):緊鄰原子間排斥力Vatt(r):引力函數(shù)

修訂Brenner勢(shì)：Juslin等對(duì)的CH勢(shì)進(jìn)行改造，并重新計(jì)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2023/10/67BOP勢(shì)函數(shù)(BondOrderP2023/10/68主要內(nèi)容研究背景研究方法研究目標(biāo)論文進(jìn)展情況存在問(wèn)題與改進(jìn)措施2023/10/68主要內(nèi)容研究背景論文的計(jì)劃目標(biāo)主要研究?jī)?nèi)容：采用MD方法對(duì)等離子體與W-PFM相互作用過(guò)程進(jìn)行計(jì)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(kuò)散行為等達(dá)到的目標(biāo)：運(yùn)用MD方法，研究H、C和W材料相互作用的物理機(jī)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(jī)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(jì)和應(yīng)用提供參考依據(jù)2023/10/69論文的計(jì)劃目標(biāo)主要研究?jī)?nèi)容：2023/10/692023/10/610主要內(nèi)容研究背景研究方法研究目標(biāo)論文進(jìn)展情況存在問(wèn)題與改進(jìn)措施2023/10/610主要內(nèi)容研究背景非晶W的MD模擬2023/10/611晶態(tài)和非晶態(tài)W中的W-W對(duì)分布函數(shù)g(r)非晶胞模擬過(guò)程:初始結(jié)構(gòu)：bcc晶態(tài)W元胞，密度為19.25g/cm3,三個(gè)方向施加周期性邊界條件系統(tǒng)在300K室溫下平衡10個(gè)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(jí)的近鄰峰值拓展或消失揭示長(zhǎng)程無(wú)序。非晶W的MD模擬2023/10/611晶態(tài)和非晶態(tài)W中的W模擬元胞初始化2023/10/612

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(gè)側(cè)面的三個(gè)原子層內(nèi)施加溫控條件。初始位置：入射原子在元胞外勢(shì)函數(shù)截?cái)嗑嚯x之外，非溫度控制區(qū)域以上作為初始位置。隨機(jī)改變?cè)拥娜肷湮恢茫M(jìn)行統(tǒng)計(jì)。初始動(dòng)能：改變?cè)拥娜肷鋭?dòng)能，研究能量依賴(lài)關(guān)系。入射粒子的能量分為兩種，一種是固定動(dòng)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?cè)尤肷浣嵌?，研究角度依?lài)關(guān)系。元胞溫度：改變?cè)麥囟?，研究襯底溫度依賴(lài)關(guān)系。選擇模擬的步長(zhǎng)。

兩種輻照模擬：非累計(jì)型模擬和累計(jì)型模擬。模擬元胞初始化2023/10/612表面損傷2023/10/61350個(gè)入射C原子在表面的堆積情況與入射能量的依賴(lài)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(duì)函數(shù)分布函數(shù)。表面損傷的機(jī)理：動(dòng)能釋放與晶格碰撞。表面損傷2023/10/61350個(gè)入射C原子在表面的堆積情表面反射2023/10/614~10eV時(shí)，能量和粒子反射在兩種表面上均達(dá)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(jìn)入元胞內(nèi)部。低于~10eV時(shí)，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(lài)關(guān)系(Eckstein*用TRIM.SP計(jì)算的結(jié)果也一并列出)*W.Eckstein,CalculatedSputtering,ReflectionandRangeValues,IPP9/132,2002C→WH→W表面反射2023/10/614~10eV時(shí)，能量和粒子反射在射程分布2023/10/615

低于~10eV,未被散射的原子吸附在表面的幾個(gè)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(jìn)入的W的體內(nèi)，同時(shí)平均射程分布以及射程擺動(dòng)都會(huì)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(duì)低能情況下：平均射程分布接近于SRIM2008的結(jié)果相對(duì)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(lài)關(guān)系。(Eckstein用TTRIM.SP計(jì)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(lài)關(guān)系:(a)1eV,(b)5eV,(c)10eV,(d)50eV,(e)100eV.C→WH→W射程分布2023/10/615低于~10eV,未被散射溝道效應(yīng)2023/10/616溝道粒子的動(dòng)能和穿透深度隨時(shí)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(shí),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(méi)有近距的碰撞，動(dòng)能損失率dE/dx的值較低。50fs以后，入射粒子穿透了20個(gè)以上原子層，和晶格原子發(fā)生了劇烈的核碰撞，動(dòng)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(dòng)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)2023/10/616溝道粒子的動(dòng)能和穿透深度隨時(shí)間點(diǎn)缺陷計(jì)算2023/10/617BOP(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(huì)導(dǎo)致局域晶格破壞。

空位以及點(diǎn)缺陷的形成是材料內(nèi)部缺陷形成的基礎(chǔ)。點(diǎn)缺陷計(jì)算2023/10/617BOP(eV)Exp.間隙能計(jì)算2023/10/618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(guò)的勢(shì)壘是0.6eV對(duì)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(shì)壘和點(diǎn)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(shì)能值通過(guò)quenchedmoleculardynamics*1

方法獲得。間隙能計(jì)算2023/10/618體心立方W晶體中間隙原子的兩間隙原子對(duì)W結(jié)構(gòu)的影響2023/10/619間隙C原子在八面體間隙位置所引起的晶格變形虛線(xiàn)球表示完整晶格的平衡位置實(shí)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?yàn)?lt;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?yàn)?lt;110>方向。

結(jié)構(gòu)形變?cè)从谀芰砍谠?。間隙原子對(duì)W結(jié)構(gòu)的影響2023/10/619間隙C原子在八面博士期間撰寫(xiě)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(xiě)論文ZhongshiYang,Q.Xu,參加國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)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