EAST面对等离子体材料的分子动力学模拟与实验研究

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1、EASTEAST面对等离子体材料面对等离子体材料的分子动力学模拟与实验的分子动力学模拟与实验研究研究 ASIPP主要内容主要内容u研究背景研究背景u研究方法研究方法u研究目标研究目标u论文进展情况论文进展情况u存在问题与改进措施存在问题与改进措施2023/9/71 ASIPP主要内容主要内容u研究背景研究背景u研究方法研究方法u研究目标研究目标u论文进展情况论文进展情况u存在问题与改进措施存在问题与改进措施2023/9/72 ASIPP人类能源危机与聚变能研究进展人类能源危机与聚变能研究进展能源需求日益增大能源需求日益增大u传统能源：传统能源：化化石燃料石燃料，存量有限，并带来严峻环境问题，存

2、量有限，并带来严峻环境问题u替代能源替代能源：太阳能、生物能、风能太阳能、生物能、风能等产量与效率很低等产量与效率很低 裂变能裂变能：铀储量有限，核废料造成的环境和安全问题：铀储量有限，核废料造成的环境和安全问题 聚变能聚变能：受控核聚变将为人类提供终极理想清洁能源：受控核聚变将为人类提供终极理想清洁能源ITER cutaway Bird view of Bird view of EASTEAST磁约束等离子体与托卡马克热核聚变装置磁约束等离子体与托卡马克热核聚变装置2023/9/73 ASIPP聚变能领域聚变能领域W W材料的应用材料的应用钨（钨（W W）材料优良特性）材料优良特性高熔点高熔

3、点低物理溅射率和高溅射阈能低物理溅射率和高溅射阈能不与氢发生化学刻蚀以及低的不与氢发生化学刻蚀以及低的H H滞留滞留方便用喷涂方法进行大规模生产方便用喷涂方法进行大规模生产钨（钨（W W）材料在聚变装置中的应用）材料在聚变装置中的应用ITERITER：第一阶段：第一阶段W W用作偏滤器非靶板的用作偏滤器非靶板的PFMPFM，最后实现全钨第一壁。，最后实现全钨第一壁。ITERITER后的堆型设计：全后的堆型设计：全W W的的PFMPFM成为共识成为共识EASTEAST：在：在3-53-5年实现主动冷却年实现主动冷却VPS-W/Cu-VPS-W/Cu-偏滤器偏滤器德国德国ASDEX-UASDEX-

4、U：已实现全：已实现全W W第一壁第一壁英国英国JETJET托卡马克：托卡马克：ITER-like WallITER-like Wall，W W块材作为偏滤器的块材作为偏滤器的PFMPFM日本九州大学日本九州大学QUESTQUEST球马克：将球马克：将PFMPFM升级为升级为W W涂层材料涂层材料2023/9/74 ASIPP主要内容主要内容u研究背景研究背景u研究方法研究方法u研究目标研究目标u论文进展情况论文进展情况u存在问题与改进存在问题与改进2023/9/75 ASIPP分子动力学在聚变材料中的应用分子动力学在聚变材料中的应用材料计算模拟：材料计算模拟：与理论和实验相并列的一个新的分支

5、与理论和实验相并列的一个新的分支分子动力学分子动力学(Molecular Dynamics-MD)：l原理：根据量子力学等基本物理理论，建立物理模型，构造势函数，在原理：根据量子力学等基本物理理论，建立物理模型，构造势函数，在微观的分子和原子层面上对材料进行研究，预测材料服役行为微观的分子和原子层面上对材料进行研究，预测材料服役行为l方法：建立一组粒子的运动方程，通过数值计算得到每个粒子在各时刻方法：建立一组粒子的运动方程，通过数值计算得到每个粒子在各时刻的坐标与动量，求得相空间的运动轨迹，并用统计方法得到系统的静态的坐标与动量，求得相空间的运动轨迹，并用统计方法得到系统的静态和动态特性，从而

6、得到系统的宏观特性和动态特性，从而得到系统的宏观特性核聚变研究的极端条件与特殊性：核聚变研究的极端条件与特殊性：超高温、强辐照、强磁场等极端条件超高温、强辐照、强磁场等极端条件下，等离子体与下，等离子体与PFMPFM的相互作用涉及到微观尺度和很短的时间尺度的相互作用涉及到微观尺度和很短的时间尺度分子动力学的应用：分子动力学的应用：材料表面溅射、高能粒子的射程分布、材料的内部材料表面溅射、高能粒子的射程分布、材料的内部辐照损伤，材料的熔化以及相变等辐照损伤，材料的熔化以及相变等2023/9/76 ASIPPBOP势函数势函数(Bond Order Potentials)BOP势：势：表述具有不同

7、化学键和表述具有不同化学键和不同结构材料中的原子间相互作不同结构材料中的原子间相互作用进行用进行Brenner势：势：用于不同的用于不同的C C或者或者CHCH系统，可描述纯系统，可描述纯C C结构材料和结构材料和CHCH分子以及键合和键断等动力学分子以及键合和键断等动力学效应效应Z:最近邻数最近邻数q:每个原子的价电子数每个原子的价电子数b:健级健级(bond order)Vrep(r):紧邻原子间排斥力紧邻原子间排斥力Vatt(r):引力函数引力函数 修订修订Brenner势：势：JuslinJuslin等对的等对的CHCH势进行改造，并重新计算拟合了势进行改造，并重新计算拟合了W-W-W

8、 W，W-CW-C和和W-HW-H之间的参数设置，有效模拟之间的参数设置，有效模拟H H和和CHCH与金属与金属 W W之间的相互作用之间的相互作用 用于包含多元材料的不同性质，用于包含多元材料的不同性质，如表面，缺陷，融化性质等如表面，缺陷，融化性质等2023/9/77 ASIPP主要内容主要内容u研究背景研究背景u研究方法研究方法u研究目标研究目标u论文进展情况论文进展情况u存在问题与改进措施存在问题与改进措施2023/9/78 ASIPP论文的计划目标论文的计划目标主要研究内容主要研究内容：l采用采用MDMD方法对等离子体与方法对等离子体与W-PFMW-PFM相互作用过程进行计算模拟研究

9、相互作用过程进行计算模拟研究低能低能H H粒子在粒子在W W表面的反射和吸附，表面的反射和吸附，H H在在W W体内的俘获等体内的俘获等C C粒子在粒子在W W表面的反射和吸附，体内的射程分布、沟道效应以及扩散行为等表面的反射和吸附，体内的射程分布、沟道效应以及扩散行为等达到的目标达到的目标：运用运用MDMD方法，研究方法，研究H H、C C和和W W材料相互作用的物理机制材料相互作用的物理机制W W在等离子体辐照下材料本身结构与性能的变化规律及其机制在等离子体辐照下材料本身结构与性能的变化规律及其机制了解了解W W材料在材料在EASTEAST和和ITERITER中应用的物理基础，为聚变中应用

10、的物理基础，为聚变PFMPFM的设计和应用提供的设计和应用提供参考依据参考依据2023/9/79 ASIPP主要内容主要内容u研究背景研究背景u研究方法研究方法u研究目标研究目标u论文进展情况论文进展情况u存在问题与改进措施存在问题与改进措施2023/9/710 ASIPP非晶非晶W的的MD模拟模拟晶态和非晶态晶态和非晶态W中的中的 W-W 对分布函数对分布函数g(r)非晶胞模拟过程:初始结构：初始结构：bccbcc晶态晶态W W元胞，密度为元胞，密度为19.25 19.25 g/cmg/cm3 3,三个方向施加周期性边界条件三个方向施加周期性边界条件 系统在系统在300K300K室温下平衡室

11、温下平衡1010个个psps后，升温至后，升温至4000K4000K 在在4000K4000K融化状态下保持融化状态下保持200ps200ps 将元胞冷却至将元胞冷却至300K300K，冷却速率为，冷却速率为40K.ps40K.ps-1-1 在在300K300K下平衡下平衡50ps50psl 第一紧邻位置和数值相似揭示非晶第一紧邻位置和数值相似揭示非晶W W的的的短程有序性。的短程有序性。l 第二紧邻位置偏移，更高级的近邻峰值第二紧邻位置偏移，更高级的近邻峰值拓展或消失揭示长程无序。拓展或消失揭示长程无序。2023/9/711 ASIPP模拟元胞初始化模拟元胞初始化 表面模拟：X X和和Y Y

12、方向施加周期性边界条方向施加周期性边界条件。最底三层原子保持固定模拟为衬底。件。最底三层原子保持固定模拟为衬底。温控：衬底以上已经四个侧面的三个原衬底以上已经四个侧面的三个原子层内施加温控条件。子层内施加温控条件。初始位置：入射原子在元胞外势函数截入射原子在元胞外势函数截断距离之外，非温度控制区域以上作为初断距离之外，非温度控制区域以上作为初始位置。随机改变原子的入射位置，进行始位置。随机改变原子的入射位置，进行统计。统计。初始动能：改变原子的入射动能，研究改变原子的入射动能，研究能量依赖关系。入射粒子的能量分为两种，能量依赖关系。入射粒子的能量分为两种，一种是固定动能，另外一种就是载能粒子一

13、种是固定动能，另外一种就是载能粒子的能量服从麦克斯韦分。的能量服从麦克斯韦分。初始角度：改变原子入射角度，研究角改变原子入射角度，研究角度依赖关系。度依赖关系。元胞温度：改变元胞温度，研究衬底温改变元胞温度，研究衬底温度依赖关系。选择模拟的步长。度依赖关系。选择模拟的步长。两种辐照模拟：非累计型模拟和累计型非累计型模拟和累计型模拟。模拟。2023/9/712 ASIPP表面损伤表面损伤5050个入射个入射C C原子在表面的堆积情原子在表面的堆积情况与入射能量的依赖关系况与入射能量的依赖关系（a)1 eV(b)5 eV (c)10 eV(d)50 eV (e)100 eV(f)200 eV*re

14、d balls represent the C atoms *black ones represent W atoms.l表面损伤：损伤程度随着入损伤程度随着入射能量的升高而增加。其表射能量的升高而增加。其表征参数为对函数分布函数。征参数为对函数分布函数。l表面损伤的机理：动能释放动能释放与晶格碰撞。与晶格碰撞。2023/9/713 ASIPP表面反射表面反射l10eV时，能量和粒子反时，能量和粒子反射在两种表面上均达到最大射在两种表面上均达到最大值。值。l大于大于10 eV,反射系数单反射系数单调递减，源于较高的能量，调递减，源于较高的能量，粒子更容易进入元胞内部。粒子更容易进入元胞内部。l

15、低于低于10eV时，反射系数时，反射系数单调递增，源于较低的能量，单调递增，源于较低的能量，粒子更容易吸附到表面。粒子更容易吸附到表面。lsbe（surface binding energy）：）：8.68ev（W）；）；esb（projectile binding energy）：）：4.00eV（C）；）；1.00eV（H）(a)(a)粒子和粒子和(b)(b)能量反射系数与入射能量依赖关系能量反射系数与入射能量依赖关系(Eckstein*(Eckstein*用用TRIM.SP TRIM.SP 计算的结果也一并列出计算的结果也一并列出 )*W.Eckstein,Calculated Sput

16、tering,Reflection and Range Values,IPP 9/132,2002 C WH W2023/9/714 ASIPP射程分布射程分布l 低于10 eV,未被散射的原子吸附在表面的几个原子层不能穿透的体胞内部l 在10 eV,入射原子被散射回真空的几率最大l 高于10 eV,荷能粒子就有更大的几率进入的W的体内，同时平均射程分布以及射程摆动都会相应增加l在50eV附近，粒子在晶态内 平均射程超越了非晶表面，其原因在于沟道效应的产生l相对低能情况下：平均射程分布接近于SRIM2008的结果l相对高能情况下：平均射程大于SRIM的结果，归于沟道效应C和和H原子在原子在W体

17、内平均深度体内平均深度(mean range)与入射能量的依赖关系。与入射能量的依赖关系。(Eckstein 用用TTRIM.SP 计算的结果也一并列出计算的结果也一并列出)C原子在原子在W内的射程分布和能量的依内的射程分布和能量的依赖关系赖关系:(a)1eV,(b)5 eV,(c)10 eV,(d)50 eV,(e)100 eV.CWHW2023/9/715 ASIPP沟道效应沟道效应沟道粒子的动能和穿透沟道粒子的动能和穿透深度随时间演化的示意深度随时间演化的示意图：图：C原子入射能量为原子入射能量为150eV，其轨迹如左图，其轨迹如左图所示所示l 当入射能量为当入射能量为50-200 eV

18、时时,在在晶向发生沟道效应。晶向发生沟道效应。l 50fs之前，入射原子和晶格原子没有近距的碰撞，动能损失之前，入射原子和晶格原子没有近距的碰撞，动能损失率率 dE/dx的值较低。的值较低。l 50fs以后，入射粒子穿透了以后，入射粒子穿透了20个以上原子层，和晶格原子发个以上原子层，和晶格原子发生了剧烈的核碰撞，动能损失率增大且振幅增大，和晶格原子生了剧烈的核碰撞，动能损失率增大且振幅增大，和晶格原子发连续碰撞后最终动能小于了其在晶格体内的迁移能而停留在发连续碰撞后最终动能小于了其在晶格体内的迁移能而停留在体内。体内。沟道轨迹示意图：沟道轨迹示意图：C原原子入射能量为子入射能量为150eV2

19、023/9/716 ASIPP点缺陷计算点缺陷计算BOP(eV)Exp.-Ab.(eV)Ef-v1.692.8-5.38mono-vacancyEm-v1.31.7-2.021.5vacancy-migrationEf-Oh2.57-octahedral interstitialEf-Th2.91-tetrahedral interstitialEf-sub3.39-substitutional Eb12.352.01vacancy-1st OhEb20.041-vacancy-2nd Ohl Ev=E(N-1)W)-(N-1)Eref(W)（空位形成能）l Eint=E(NW+C)-NEre

20、f(W)-Eref(C)（间隙原子形成能）l Esub=E(N-1)W+C)-(N-1)Eref(W)-Eref(C)（替位原子形成能）l Eb(V-C)=Ef(V)+Ef(C)Ef(V-C)（结合能）l 荷能粒子入射到材料表面将会导致局域晶格破坏。荷能粒子入射到材料表面将会导致局域晶格破坏。l 空位以及点缺陷的形成是材料内部缺陷形成的基础。空位以及点缺陷的形成是材料内部缺陷形成的基础。2023/9/717 ASIPP间隙能计算间隙能计算体心立方W晶体中间隙原子的两种位置(A)八面体间隙(B)四面体间隙lC在在W中八面体间隙的形成能中八面体间隙的形成能:2.57 eVlC在在W中四面体间隙的形

21、成能中四面体间隙的形成能:2.91eVl间隙间隙C原子从八面体间隙到最近邻的八面体间隙所要越过原子从八面体间隙到最近邻的八面体间隙所要越过的势垒是的势垒是0.6eVl对于间隙对于间隙C原子最稳定的构型是占据八面体间隙位置而不原子最稳定的构型是占据八面体间隙位置而不是四面体间隙位置，与理论分析结果是四面体间隙位置，与理论分析结果*2一致一致*1 C.H.Bennett,in Diffusion in Solids,Recent Developments,edited by A.S.Nowick and J.J.Burton(Academic,New York,1975),p.73.*2 Gmel

22、in Handbook of Inorganic Chemistry,8 ed.,Syst.No.54,Tungsten,Suppl.Vol.A2,Spring-Verlag,Berlin,Heidelberg,New York,Tokyo,1987.势垒和点缺陷路径的关系示意图：间隙间隙C原子沿八原子沿八面体间隙到最近邻八面体面体间隙到最近邻八面体间隙位置。势能值通过间隙位置。势能值通过quenched molecular dynamics*1 方法获得。方法获得。2023/9/718 ASIPP间隙原子对间隙原子对W结构的影响结构的影响间隙C原子在八面体间隙位置所引起的晶格变形虚线球表示完

23、整晶格的平衡位置虚线球表示完整晶格的平衡位置实心球表示引入实心球表示引入C C原子以后的平衡位置原子以后的平衡位置l C和最近邻和最近邻W原子之间的距离比完整原子之间的距离比完整晶格距离增加了晶格距离增加了0.236（d1/d1），），其增加方向为其增加方向为 方向。方向。l C和最近邻和最近邻W原子之间的距离比完整原子之间的距离比完整晶格距离减少了晶格距离减少了0.015（d2/d2），其），其增加方向为增加方向为 方向。方向。l 结构形变源于能量弛豫。结构形变源于能量弛豫。2023/9/719 ASIPP博士期间撰写论文博士期间撰写论文lZhongshi Yang,Q.Xu,G.-H.Lu

24、,G.-N.Luo,“Molecular Dynamics Simulation of Low-energy Atomic Hydrogen on Tungsten Surface”,ISFNT-9,October 11-16,2009,Dalian,China,08-002,submitted to Fusion Engineering and Design.lZhongshi Yang,W.Wan,K.Okuno,Y.Oya,G.-N.Luo,“Surface Analysis of VPS-W ICRF-Boronized in HT-7”,ICFRM-14,September 6-11

25、,2009,Sapporo,Japan,00105,submitted to Journal of Nuclear Materials.lJ.Wu,Zhongshi Yang,Q.Li,C.-Y.Xie,G.-N.Luo,M.Matsuyama,“BIXS Measurements of Tritium Uptake in C and W Materials for EAST”,ICFRM-14,September 6-11,2009,Sapporo,Japan,00185,submitted to Journal of Nuclear Materials.lZhongshi Yang,Q.X

26、u,Junqi Liao,G.-H.Lu,G.-N.Luo,“Study on C-W interactions by molecular dynamics simulations”,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B,267,3144-3147(2009).lZhongshi Yang,Y.M.Yang,G.-H.Lu,G.-N.Luo,“Molecular dynamics simulations of atomic carbon on tungsten surface”,Journal of Nucl

27、ear Materials,390391,136-139(2009).lQ.Li,H.Chen,P.QI,Z.-S.Yang,G.-N.Luo,H.Y.Guo,“Modeling of heat deposition on the W/Cu movable limiter in HT-7”,Fusion Engineering and Design,doi:10.1016/j.fusengdes.2009.08.006lG.-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

28、-cooled VPS-W/Cu limiter and its preliminary results in HT-7”,Journal of Nuclear Materials,363365,1241-1245(2007).l G.-N.Luo,X.D.Zhang,D.M.Yao,X.Z.Gong,J.L.Chen,Z.S.Yang,Q.Li,B.Shi and J.G.Li,“Overview of plasma-facing materials and components for EAST”,Physica Scripta,T128,1-5(2007).lZhongshi Yang,

29、Hajime Shirai,Tomohiro Kobayashi,Yasuhiro Hasegawa,“Synthesis of Si nanocones using rf microplasma at atmospheric pressure”,Thin Solid Films,515,4153-4158(2007).ASIPP参加国际学术会议参加国际学术会议The 9th International Symposium on Fusion Nuclear Technology(ISFNT-9),October 11-16,2009,Dalian,China,08-002,“Molecula

30、r Dynamics Simulation of Low-energy Atomic Hydrogen on Tungsten Surface”.14th International Conference on Fusion Reactor Materials(ICFRM-14),September 6-11,2009,Sapporo,Japan,00105,“Surface Analysis of VPS-W ICRF-Boronized in HT-7”.JSPS-CAS Core University Program Workshops Symposium on PWI/PFC and

31、Fusion Technologies,October 27-29，2008,Huangshan,China,O-17,“Atomistic Calculation of interaction between low-energy carbon and tungsten”.The 9th conference in a series of international conferences on Computer Simulation of Radiation Effects in Solids(COSIRES2008),October 12-17,2008,Beijing,China,P-

32、31,“Study on C-W interactions by molecular dynamics simulation”.18th International Conference on Plasma Surface Interactions(PSI18),May 26-30,2008,Toledo,Spain,P2-16,“Molecular dynamics simulations of atomic carbon on tungsten surface”.The 9th China-Japan Symposium on Materials for Advanced Energy S

33、ystems and Fission&Fusion Engineering jointed with CAS-JSPS Core-university Program Seminar on Fusion Materials,System and Design Integration,October 23-26,2007,Guilin,China,Proceeding p254-257,“Molecular Dynamics Simulation of Low-energy Atomic Hydrogen on Tungsten Surface”.ASIPP承担科研项目承担科研项目国家自然科学基

34、金青年科学基金项目国家自然科学基金青年科学基金项目(2010-2012)(编号编号:10905070)EAST面对等离子体材料的分子动力学模拟与实验研究面对等离子体材料的分子动力学模拟与实验研究(负责人负责人)中国科学院知识创新工程领域前沿项目（中国科学院知识创新工程领域前沿项目（2008-2011）EAST面对等离子体材料的分子动力学模拟面对等离子体材料的分子动力学模拟(负责人负责人)国家自然科学基金面上项目国家自然科学基金面上项目(2009-2011)(编号编号:10875148)托卡马克等离子体与钨材料表面相互作用的分子动力学模拟托卡马克等离子体与钨材料表面相互作用的分子动力学模拟(骨干

35、骨干)国家自然科学基金海外青年合作基金项目国家自然科学基金海外青年合作基金项目(2008-2010)(编号编号:10728510)等离子体与固体相互作用等离子体与固体相互作用(骨干骨干)ASIPP主要内容主要内容u研究背景研究背景u研究方法研究方法u研究目标研究目标u论文进展情况论文进展情况u存在问题与改进措施存在问题与改进措施2023/9/723 ASIPP存在问题与改进措施存在问题与改进措施研究体系的扩大：研究体系的扩大：增大模拟元胞的原子个数，扩大研增大模拟元胞的原子个数，扩大研究对象的三维尺寸。究对象的三维尺寸。研究内容的细化：研究内容的细化：反射，吸附等物理现象和入射粒子反射，吸附等物理现象和入射粒子的入射角度、衬底温度的关系；沟道效应和入射能量的入射角度、衬底温度的关系；沟道效应和入射能量以及晶向取向的对应关系等。以及晶向取向的对应关系等。H-W相互作用的进一步研究：相互作用的进一步研究：包括多个包括多个H H原子在点缺原子在点缺陷处的聚集形态，表面结构对陷处的聚集形态，表面结构对H-WH-W相互作用的影响。相互作用的影响。2023/9/724 ASIPPThank youThank you！结束结束