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2015 Fiscal Year Annual Research Report

金属種・希ガス種の比較による繊維状ナノ構造形成機構の理論的解明

Research Project

Project/Area Number 15H05563
Research InstitutionNational Institute for Fusion Science

Principal Investigator

伊藤 篤史  核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (10581051)

Project Period (FY) 2015-04-01 – 2019-03-31
Keywordsプラズマ-壁相互作用 / ナノ材料 / プラズマ・核融合 / タングステン / 分子動力学 / ハイブリッドシミュレーション / ヘリウム / プラズマ-物質相互作用
Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的はヘリウム照射で誘起されるタングステンをはじめとする各種金属表面のナノ構造形成のメカニズムを理論的に解明し、実験におけるより良い制御法の提唱を行うことである。プラズマと物質の相互作用によって引き起こされるナノスケール現象を扱うためには、分子動力学(MD)、二体衝突近似法(BCA)、密度汎関数理論(DFT)、動的モンテカルロ法(KMC)、ならびにそれらを組みわせたハイブリッドコードを駆使したマルチスケールシミュレーション解析を実施する必要がある。初年度にあたる昨年度は、DFTによる各種金属中でのヘリウム凝集可能性の評価、新しいハイブリッドシミュレーションとなるBCA-KMCハイブリッド法の原理実証、加えて各種コードの開発を行った。
DFTを用いたヘリウム凝集可能性の評価では、金属中の格子間サイトおよび単空孔における複数ヘリウムの結合エネルギーを調べた。その結果、これまでにヘリウム凝集が示唆されているタングステン以外の金属として、タンタル、モリブデン、ニオブ、クロム、鉄においてもヘリウム凝集が容易に起こり得ることを見出した。これらは全て体心立法格子(BCC)構造を持つ金属である。一方で同じBCC金属であるバナジウムではヘリウム凝集がある大きさまでで止まることが示唆された。現在までにバナジウムでの実験は報告されておらず、今後、実験への提案を行いたい。
またハイブリッド法としては、我々の過去の研究においてタングステンナノ構造の成長をある程度再現できたMD-MCハイブリッド法を確立しているが、そこにはプラズマ照射によるイオンの材料中への侵入過程が入っていない。それを取り込むためのプロトタイプとして新たにBCA-KMCハイブリッド法を開発した。これを水素プラズマ照射に応用したところ、将来のITERのダイバータのような高フラックス環境での水素蓄積量も評価できることが期待できる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究を支える技術的な課題は、マルチスケールシミュレーション解析を支える各種シミュレーションコードの開発である。特にハイブリッドシミュレーションの実現のためには全てのコードを自前で準備することが望ましい。また過去の研究で築き上げたタングステンとヘリウムを扱うコードを、それ以外の元素を扱えるように拡張することが鍵となる。
昨年度は、上述のように既存のMD-MCハイブリッドに照射効果を入れるためのBCA-KMCハイブリッドコードの開発が、当初の想定年度よりも早く原理実証できたことが大きな進展である。同時に、KMC部分のコードは新規開発であるが、これも順調に進んだ。そして、BCA-KMCハイブリッド法を水素リテンション問題に応用することで核融合研究の重要課題である水素リテンション評価可能である点で予想以上の成果が期待できる。第26回国際原子力機関核融合エネルギー会議(IAEA-FEC2016)に採択された。
MD-MCハイブリッド法とBCA-KMCハイブリッド法の開発を通して、プラズマと物質の相互作用現象をシミュレーションする際には、実験同様のフラックスにおいて同じく実験同様のフルーエンス(総照射量)を達成することが現象の再現性を高める上で非常に重要であることを見出せたことが大きい。通常はシミュレーションで扱えるタイムスケールが小さいために実験よりも6から10桁高いフラックスを用いざるを得ないが、我々のMD-MCならびにBCA-KMCでは、ハイブリッド法ゆえにタイムスケールのギャップを超えて実験同様の低いフラックスでも高いフルーエンスを達成することが可能であることが世界的な強みとなっている。これらにより期待以上の進展があったと言える。

Strategy for Future Research Activity

上述のDFTによるヘリウム凝集可能性の評価を、BCC以外の金属やヘリウム以外の希ガスについても行う。一方で、DFTによる評価は1nm以下のサイズのヘリウムクラスターまでが限度である。それ以上の大きさのヘリウムバブルの形成を調べるために、MDによる解析を行う必要がある。そのためには、まずMDに用いる原子間相互作用ポテンシャルモデルをタングステンとヘリウム以外の元素が扱えるように新規に開発する必要がある。モデル開発ではサンプル構造に対するDFTによるエネルギー評価を行い、それを参照データとしてポテンシャル関数の最適化を行うダウンフォールディング法を用いる。実際にタングステン-ヘリウム間のポテンシャルモデルを過去に開発する際に同様の手法を用いた実績があるが、実際の作業ではデータ整理と各種手作業に非常に手間がかかる。そこで、今年度中に専用サーバーを導入し、作業を簡易化する専用支援ソフトウェアを開発してモデル開発を加速させる。
また、プロトタイプの出来上がったBCA-KMCハイブリッドコードの開発を進める。特にKMC部分について、金属中の不純物拡散現象の再現の鍵となる粒界構造の取り扱いまでを可能にしたコードへと発展させる。そして、これを水素リテンション問題に応用し、実験室環境からITERや原型炉までのダイバータ環境の水素蓄積量のフラックス依存性を予測し、国際会議IAEA-FEC2016などで報告する。ヘリウム照射問題よりも先に水素リテンション問題を扱うのは、水素の場合はナノバブル形成による金属の大きな変形が起こらないために、ハイブリッドにおいてMD部分を用いる必要がないため、BCA-KMCの検証に向いている為である。次年度以降にはMD-MCと合わせたBCA-MD-KMC三連ハイブリッド法へと発展させ、照射時のイオン侵入効果の入ったヘリウム照射による金属ナノ構造形成の再現を試みる。

  • Research Products

    (15 results)

All 2016 2015 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 4 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Study of tritium desorption by energetic ion bombardment from tungsten material2016

    • Author(s)
      Shuichi Kato, Atsushi M. Ito, Arimichi Takayama, Mamiko Sasao, Motoi Wada, and Hiroaki Nakamura
    • Journal Title

      Jpn. J. Appl. Phys.

      Volume: 55 Pages: 01AH11

    • DOI

      10.7567/JJAP.55.01AH11

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Level-by-level Artificial Viscosity and Visualization for MHD Simulation with Adaptive Mesh Refinement2016

    • Author(s)
      Tomoharu Hatori, Atsushi M. Ito, Masanori Nunami, Hideyuki Usui, and Hideaki Miura
    • Journal Title

      J. Compt. Phys.

      Volume: 印刷中 Pages: 印刷中

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Molecular dynamics and Monte Carlo hybrid simulation for fuzzy tungsten nanostructure formation2015

    • Author(s)
      A. M. Ito , A. Takayama , Y. Oda , T. Tamura , R. Kobayashi , T. Hattori , S. Ogata , N. Ohno , S. Kajita , M. Yajima , Y. Noiri , Y. Yoshimoto , S. Saito , S. Takamura , T. Murashima , M. Miyamoto, and H. Nakamura
    • Journal Title

      Nuclear Fusion

      Volume: 55 Pages: 073013

    • DOI

      10.1088/0029-5515/55/7/073013

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] BCA-KMC Hybrid Simulation with Meta-Modeling for Hydrogen Dynamic Retention in Tungsten Material2016

    • Author(s)
      A. M. Ito, S. Kato, and H. Nakamura
    • Organizer
      The 26th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2016)
    • Place of Presentation
      Kyoto, Japan
    • Year and Date
      2016-10-17 – 2016-10-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The BCA-KMC Hybrid Simulation for Hydrogen Retention in Tungsten Material2016

    • Author(s)
      A. M. Ito, S. Kato, A. Takayama, and H. Nakamura
    • Organizer
      International Workshop on Models and Data for Plasma-Material Interaction in Fusion Devices 2016 (MoD-PMI2016)
    • Place of Presentation
      Loughborough University, Loughborough, Leicestershire, United Kingdom
    • Year and Date
      2016-06-22 – 2016-06-24
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Hydrogen Isotope Diffusion on Grain Boundary with Kinetic Monte-Carlo Model Automatically Constructed from Molecular Dynamics2016

    • Author(s)
      Atsushi M. Ito, S. Kato, and H. Nakamura
    • Organizer
      22th International Conference on Plasma-Surface Interaction
    • Place of Presentation
      Roma, Italy
    • Year and Date
      2016-05-30 – 2016-06-03
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 水素および希ガスと各種金属原子間のポテンシャルモデル開発2015

    • Author(s)
      伊藤篤史, 加藤周一, 中村浩章
    • Organizer
      プラズマ核融合学会年会
    • Place of Presentation
      名古屋大学
    • Year and Date
      2015-11-24 – 2015-11-27
  • [Presentation] プラズマ-物質相互作用シミュレーションにおける入射フラックスと入射フルーエンス2015

    • Author(s)
      伊藤篤史
    • Organizer
      第31回九州・山口プラズマ研究会
    • Place of Presentation
      COCOLAND SPORTS&RESORT, 山口
    • Year and Date
      2015-11-01 – 2015-11-02
    • Invited
  • [Presentation] BCA-kMC Hybrid Simulation for Hydrogen and Helium Implantation in Material under Plasma Irradiation2015

    • Author(s)
      S. Kato, A. M. Ito, H. Nakamura, M. Sasao, M. Wada
    • Organizer
      9th International Conference on Reactive Plasmas
    • Place of Presentation
      Hawaii Convention Center, Hawaii, USA
    • Year and Date
      2015-10-12 – 2015-10-16
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ヘリウムプラズマ誘起ナノ構造のシミュレーションによる金属比較2015

    • Author(s)
      伊藤篤史
    • Organizer
      日本物理学会秋季大会
    • Place of Presentation
      関西大学
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [Presentation] ヘリウム誘起繊維状ナノ構造形成に纏わる金属比較2015

    • Author(s)
      伊藤篤史
    • Organizer
      プラズマシミュレーターシンポジウム2015
    • Place of Presentation
      核融合科学研究所
    • Year and Date
      2015-09-03 – 2015-09-04
    • Invited
  • [Presentation] Fusion material simulation2015

    • Author(s)
      A. M. Ito, T. Murashima, T. Tamura, R. Kobayashi, A. Takayama, S. Kajita, S. Takamura, N. Ohno, M. Yajima, Y. Yoshimoto, S. Ogata, S.Kato, and H. Nakamura
    • Organizer
      Innovations and co-designs of fusion simulations towards extreme scale computing
    • Place of Presentation
      Nagoya University, Nagoya, Japan
    • Year and Date
      2015-08-20 – 2015-08-21
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Plasma-Material Interaction: Fuzzy Nanostructure Formation by Helium Plasma Irradiation2015

    • Author(s)
      Atsushi M. Ito, Takahiro Murashima, Arimichi Takayama, Tomoyuki Tamura, Ryo Kobayashi, Shin Kajita, Shuichi Takamura, Noriyasu Ohno, Miyuki Yajima, Yoshihide Yoshimoto, Shuji Ogata, and Hiroaki Nakamura
    • Organizer
      International workshop on Warm Dense Matter
    • Place of Presentation
      Kurashiki, Japan
    • Year and Date
      2015-06-08 – 2015-06-13
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Tungsten Fuzzy Nanostructure Growth by Molecular Dynamics and Monte-Carlo Hybrid Simulation2015

    • Author(s)
      A. M. Ito, T. Murashima, T. Tamura, R. Kobayashi, A. Takayama, S. Kajita, s. Takamura, N. Ohno, M. Yajima, Y. Yoshimoto, S. Ogata, and H. Nakamura
    • Organizer
      International Workshop on Models and Data for Plasma-Material Interaction in Fusion Devices 2015(MoD-PMI2015)
    • Place of Presentation
      Marseille, France
    • Year and Date
      2015-05-25 – 2015-05-27
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] Atsushi M. Ito web (所属研究機関の研究者個人ホームページ

    • URL

      http://www-fps.nifs.ac.jp/ito/

URL: 

Published: 2017-01-06  

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