2017 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical Research in Formation Mechanisms of Fuzzy Nano-structures by Comparison among Noble Gases and Metals
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15H05563
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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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)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | プラズマー壁相互作用 / Fuzz構造 / ダイバータ / 分子動力学 / ハイブリッドシミュレーション / 二体衝突近似 / 動的モンテカルロ法 / タングステン |
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| 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シミュレーションによって解明することである。
本年度の中心的な成果は、二体衝突近似法(BCA)、分子動力学(MD)、動的モンテカルロ法(KMC)の三つを組み合わせたBCA-MD-KMC三連ハイブリッド法ならびにコードを完成させたことである。本コードにより、プラズマからのイオン粒子の入射過程をBCAで、ヘリウムバブルの凝集に起因した母材金属の変形をMDで、金属中の長時間のヘリウム原子拡散をKMCで扱うことが可能となった。過去のMD-MCハイブリッド法に対して、プラズマの照射過程を直接的に計算に取り入れることができるようになった。また計算スキームに関しても、原理的に並列処理に向かないBCAを領域分割並列化されたMDコードとシームレスに結合すべく、新しいBCAの領域分割手法を提唱し、BDoGコードとして実装した。その結果、本コードのテストランにおいて、実験同様の低フラックス条件で0.1秒に及ぶ照射を実現し、タングステン繊維状ナノ構造の形成の初期過程である表面の穴構造の形成を三次元で模擬することに成功した。これらの手法開発に関して論文発表を行った。
また、金属比較の観点では、He凝集可能性の比較を密度汎関数理論(DFT)を用いて結合エネルギーおよび応力を計算することで評価した。実験によるナノ構造の形成と関連付けた議論を行い、論文発表および学会発表を行った。
その他、ヘリウムバブルの分布がフラクタル構造を持つことが実験から示され、先のハイブリッドでも用いたMCモデルを適用することで理論的な説明を行うことに成功した。これによればバブルの形成領域が常にバージン領域方向（深さ方向）へ進むことでフラクタル構造を持つことが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
そもそもシミュレーションによって最も基本的なタングステン繊維状ナノ構造の形成を模擬できた例は実在しないのが現状であった。我々は過去に分子動力学(MD)とモンテカルロ法(MC)を組み合わせたMD-MCハイブリッド法を開発することで、二次元シミュレーションでは繊維状ナノ構造と思しき構造を模擬できていた。しかし、三次元シミュレーションを行うと、成長が途中で止まる問題があった。また、MC部分の経過時間の見積もりの理論的曖昧さが残っていた。
この状況において、H27-28年度においては、プラズマの照射過程を扱うべくBCAとKMCを結合したBCA-KMCハイブリッド法を開発した。これをMD-MCハイブリッド法と合わせたものが、本年度開発したBCA-MD-KMC三連ハイブリッド法である。本コードの利点は、上述のBCAによるイオン粒子の入射過程の扱いに加えて、MCがKMCとなったことで、経過時間の見積もりが理論的に担保されるようになった。またアルゴリズム上のボトルネックも解消した。合わせて、専用のワークステーションの増強を行ったことで、H30年度に予定する本コードを用いたプロダクトランでは、100秒相当のプラズマ照射時間の模擬が可能との見積もりが出ている。これは、実験同様の低フラックスで照射した場合でも、実験で繊維状ナノ構造の形成に必要とされるヘリウム照射総量を模擬できる時間スケールであり、繊維状ナノ構造の三次元シミュレーションでの世界初の模擬に期待ができる。
また、タングステン以外の金属に関しても、今後三連ハイブリッドコードを利用する際のKMCモデル化に必要な情報が、これまでのDFT計算からほぼ集まった。また、MD用のポテンシャルモデルも一部の金属に関して開発することができている。よってタングステンの繊維状ナノ構造の形成の模擬以降はスムーズに金属比較に移行できると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究の締めくくりに向けて、三次元シミュレーションでの世界初の繊維状ナノ構造の模擬を第一の目標に、BCA-MD-KMC三連ハイブリッドコードを用いた100秒照射のシミュレーションを行う。本報告書の執筆時点で、10秒程度の照射に届いており、ポジティブな兆候が見えてきている。
無事に繊維状ナノ構造が生えた場合には、実験では見ることのできない成長中の原子の動きを解析し、真のメカニズムの解明に努める。また、材料温度や入射エネルギーに対する成長の依存性を調べる。
第二の目標である金属比較に関しては、二つのプランを検討する。一つ目のプランはBCA-MD-KMC三連ハイブリッドコードを別の金属に適用することである。しかし、MD用のポテンシャルがタングステンのモデルと比べて複雑なため、計算速度で振るわず、必要な照射時間に達しない可能性もある。また、金属毎のナノ構造の形状の違いが、BCA-MD-KMC三連ハイブリッドコードで表現できる入射過程・拡散過程・変形過程とは全く別の過程で起こっている可能性もあり、その場合には別の手立てが必要である。そこで、二つ目のプランとして、ファイバー状のナノ材料中でのヘリウム拡散・凝集をKMCを使ってシミュレートすることで、ファイバーが生えた後で折れ曲がりが起こる確率を議論したいと思う。これにより、タングステンと同様のメカニズムで生えた後に、金属毎のナノ構造の形状の違いが現れる可能性を議論できる。
また、最終年度であるので、積極的な学会発表および論文発表を行うとともに、開発してきた手法を応用した産学連携活動を模索する。
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Research Products
(12 results)
